嵌入式GIS圖形中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小林，華一新，葛 文，張江水

(信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州450052)

嵌入式GIS圖形中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉小林，華一新，葛 文，張江水

(信息工程大學(xué)測繪學(xué)院，河南鄭州450052)

導(dǎo)航儀、手機(jī)地圖等嵌入式GIS已經(jīng)深入人們?nèi)粘Ｉ?，然而時(shí)下開發(fā)嵌入式GIS軟件時(shí)需要針對(duì)不同的嵌入式軟、硬件平臺(tái)編寫不同的代碼。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了嵌入式GIS圖形中間件，基于CG-GDI開發(fā)的嵌入式GIS可以在不同的嵌入式軟、硬件平臺(tái)上使用，達(dá)到“一套代碼，隨處運(yùn)行”的目的。

嵌入式;GIS;中間件;圖形

一、引 言

目前，嵌入式GIS已經(jīng)深入人們的日常生活，車載導(dǎo)航儀、手機(jī)地圖隨處可見。但是嵌入式硬件與嵌入式操作系統(tǒng)的多樣性，為開發(fā)嵌入式GIS帶來了極大的不便，而其中不同嵌入式操作系統(tǒng)間關(guān)于圖形設(shè)備接口的描述則是差異最大的部分，也是嵌入式GIS系統(tǒng)平臺(tái)在不同操作系統(tǒng)間移植的最大障礙;另一方面，由于嵌入式應(yīng)用的多樣性，GIS人員不能開發(fā)出完全適合于實(shí)際應(yīng)用需求的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，而各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)者往往又會(huì)因嵌入式GIS開發(fā)所涉及的專業(yè)性而放棄。

針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)了嵌入式GIS圖形中間件(common GIS-GDI，CG-GDI)。CG-GDI是基于中間件的思想專為嵌入式GIS設(shè)計(jì)的一個(gè)通用的圖形繪制具體實(shí)現(xiàn)層，它的主旨是抽取各嵌入式系統(tǒng)圖形繪制中硬件和操作系統(tǒng)上的共性問題，屏蔽它們的差別，向上層GIS應(yīng)用程序提供簡單統(tǒng)一的圖形設(shè)備接口，從而減少開發(fā)人員在開發(fā)不同嵌入式GIS系統(tǒng)時(shí)的難度和工作量。

設(shè)計(jì)CG-GDI的目的是為了做到“一套代碼，隨處運(yùn)行”。不同軟、硬件平臺(tái)上為GIS系統(tǒng)提供的基本圖形繪制接口是不一樣的，將這些圖形繪制接口進(jìn)行封裝，向外提供一致的接口形成CG-GDI，這樣，異構(gòu)(操作系統(tǒng)和硬件不同)的嵌入式GIS應(yīng)用程序就可以調(diào)用相同的圖形繪制接口進(jìn)行GIS的開發(fā)。如果基于CG-GDI開發(fā)的GIS系統(tǒng)使用純C/C++編寫代碼，就可以達(dá)到“一套代碼，隨處運(yùn)行”的目的。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外沒有專門針對(duì)嵌入式GIS系統(tǒng)開發(fā)的圖形系統(tǒng)，嵌入式圖形中間件方面的產(chǎn)品只有幾個(gè)圖形GUI系統(tǒng)，國內(nèi)的主要有Mini-GUI，國外比較成熟的嵌入式圖形GUI系統(tǒng)是QT/Embedded。

Mini-GUI由原清華大學(xué)教師魏永明先生開發(fā)，遵循GPL條款。它是一個(gè)高效、可靠、可定制、小巧靈活的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，具有跨硬件平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的可移植性，主要運(yùn)行于Linux控制臺(tái)，實(shí)際可以運(yùn)行在任何一種具有POSIX線程支持的POSIX兼容系統(tǒng)上。Mini-GUI最初是為了滿足一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)的需求而設(shè)計(jì)和開發(fā)的，它在設(shè)計(jì)之初就考慮到了小巧、高性能和高效率，因此比較適合于工控領(lǐng)域的簡單應(yīng)用。目前Mini-GUI已廣泛應(yīng)用于手持信息終端、機(jī)頂盒、工業(yè)控制系統(tǒng)及工業(yè)儀表等產(chǎn)品和領(lǐng)域。

QT/Embedded最初是由著名的 QT庫開發(fā)商Trolltech開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的 QT版本，現(xiàn)在QT/Embedded QT可以用于Windows、Unix、Linux、嵌入式Linux和Macos X，它的主要特點(diǎn)是可移植性較好，許多基于QT的X Window程序可以非常方便地移植到嵌入式系統(tǒng)。它是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，注重于能給用戶提供精美的圖形用戶界面所需要的所有元素。QT/Embedded偏重于便攜式和手持PC/Device的需求，缺點(diǎn)是代碼不對(duì)外開放。

三、CG-GDI的設(shè)計(jì)

1.CG-GDI的作用

(1)CG-GDI在嵌入式GIS中的位置

CG-GDI在嵌入式GIS中的位置如圖1所示。

圖1 CG-GDI在嵌入式GIS中的位置圖

從圖1可以看出，CG-GDI的下層是嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式硬件平臺(tái)，上層是嵌入式GIS應(yīng)用程序和各嵌入式操作系統(tǒng)下的GUI系統(tǒng)。它是介于界面GUI和各嵌入式系統(tǒng)提供的底層繪制函數(shù)之間的一個(gè)圖形繪制具體實(shí)現(xiàn)層，它對(duì)任何嵌入式系統(tǒng)下的GIS應(yīng)用程序提供的接口都是一致的，這樣開發(fā)嵌入式GIS應(yīng)用程序時(shí)就不用再區(qū)分下層是何種操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)。

(2)CG-GDI與GUI的聯(lián)系和區(qū)別

CG-GDI主要包括的是點(diǎn)、線、面等的圖形繪制技術(shù)，只不過它適用于不同的嵌入式軟、硬件平臺(tái)，它只為嵌入式GIS系統(tǒng)提供基本繪圖功能的函數(shù)庫。

而嵌入式圖形界面GUI主要是指建立具有窗口元素及各種構(gòu)建(包括菜單、按鈕、對(duì)話框、滾動(dòng)條等)的用戶界面函數(shù)庫，它不僅包括基本的圖形繪制方法，而且還包括窗口、對(duì)話框等可視化界面資源，以及基于窗口等界面元素的消息傳遞機(jī)制等。

(3)CG-GDI的功能

CG-GDI是專為嵌入式GIS系統(tǒng)開發(fā)的圖形設(shè)備接口，其作用主要是提供嵌入式GIS繪圖方面的函數(shù)。為了滿足嵌入式GIS的繪圖需求，CG-GDI需要具備以下幾個(gè)方面的功能：① 點(diǎn)、線以及多邊形的繪制;② 橢圓和弧的繪制;③ 多邊形的填充;④橢圓和餅的填充;⑤ 文字的繪制;⑥ 位圖的繪制;⑦畫筆的設(shè)置;⑧ 畫刷的設(shè)置;⑨ 字體字大的設(shè)置;⑩繪制區(qū)域的設(shè)置。

2.CG-GDI的體系結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)在硬件上的差別主要在于CPU的不同，有兩個(gè)種類：PowerPC系列CPU和X86系列CPU。PowerPC是早期Motorola和IBM聯(lián)合為Apple的MAC機(jī)開發(fā)的CPU芯片，X86是一個(gè)Intel通用計(jì)算機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)縮寫。兩者的差別是讀寫字節(jié)序的不同，PowerPC系列CPU是大端字節(jié)序的，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處;X86系列CPU是小端字節(jié)序的，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處。

嵌入式系統(tǒng)在底層軟件上的差別主要是操作系統(tǒng)的不同，現(xiàn)在流行的嵌入式操作系統(tǒng)有Vx-Works、Linux和WinCE等，不同的操作系統(tǒng)提供的底層圖形函數(shù)是不一樣的。

基于底層的嵌入式軟硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)的CG-GDI的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式GIS圖形中間件體系結(jié)構(gòu)圖

不同的圖形API函數(shù)封裝為統(tǒng)一的接口，為上層GIS應(yīng)用提供服務(wù)。CG-GDI向下屏蔽了不同硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)平臺(tái)的差異，向上為用戶提供了統(tǒng)一的嵌入式GIS圖形服務(wù)，大大降低了開發(fā)嵌入式GIS應(yīng)用系統(tǒng)的難度和復(fù)雜度。

四、CG-GDI的實(shí)現(xiàn)

1.CG-GDI的實(shí)現(xiàn)

整合軟硬件的差異有兩種方式：①文件庫級(jí)別的整合，所有系統(tǒng)下的庫文件都生成，上層在不同的系統(tǒng)下再調(diào)用相應(yīng)的庫;②代碼級(jí)別的整合，不同的系統(tǒng)下調(diào)用不同的函數(shù)代碼，上層只調(diào)用相應(yīng)系統(tǒng)下的代碼，編譯時(shí)不生成其他的系統(tǒng)下的庫文件。

CG-GDI實(shí)現(xiàn)的基本思路是：首先制定統(tǒng)一的嵌入式GIS圖形設(shè)備接口，不同的系統(tǒng)下調(diào)用其自身的圖形包實(shí)現(xiàn)這些圖形設(shè)備接口，其中與硬件相關(guān)的圖形設(shè)備接口(如位圖的獲取等)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)時(shí)首先判斷是何種CPU系列，再調(diào)用不同的方式實(shí)現(xiàn);調(diào)用CD-GDI構(gòu)建嵌入式GIS應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)只調(diào)用統(tǒng)一的圖形設(shè)備接口，但要設(shè)置嵌入式系統(tǒng)硬件標(biāo)識(shí)和操作系統(tǒng)標(biāo)識(shí)，CD-GDI通過標(biāo)識(shí)來判斷是何種系列CPU和嵌入式操作系統(tǒng)，從而確定使用何種方式讀寫數(shù)據(jù)和調(diào)用何種系統(tǒng)下的圖形包。

通過宏定義的方式來定義不同的嵌入式硬件和操作系統(tǒng)，定義相應(yīng)的硬件宏參數(shù)和操作系統(tǒng)宏參數(shù)執(zhí)行與該硬件和操作系統(tǒng)相關(guān)的代碼。如配置文件中就可以通過#define_X86_CPU_或者#define_POWERPC_CPU_來標(biāo)識(shí)不同的硬件。

通過參考不同的操作系統(tǒng)下的圖形設(shè)備類，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出CG-GDI的類結(jié)構(gòu)，主要由以下幾個(gè)部分組成：設(shè)備環(huán)境類、畫筆類、畫刷類、字體類、圖形區(qū)域類、位圖類，如圖3所示。

圖3 CG-GDI總體類結(jié)構(gòu)圖

CG-GDI以設(shè)備環(huán)境類為中心，調(diào)用畫筆類、畫刷類、字體類、圖形區(qū)域類、位圖類等決定設(shè)備環(huán)境的狀態(tài)，設(shè)備環(huán)境類再向GIS應(yīng)用提供圖形圖像的繪制功能。而不同的系統(tǒng)下，設(shè)備環(huán)境類和位圖類通過不同的方式來實(shí)現(xiàn)。

2.基于CG-GDI的GIS開發(fā)

基于CG-GDI開發(fā)嵌入式GIS的流程如圖4所示。

圖4 基于CG-GDI開發(fā)嵌入式GIS流程圖

首先要確定嵌入式操作系統(tǒng)和CPU硬件類型，再將相關(guān)參數(shù)傳進(jìn)CG-GDI對(duì)其進(jìn)行初始化，調(diào)用CG-GDI構(gòu)建地圖模塊、分析查詢模塊和軍標(biāo)模塊等GIS組件，并對(duì)各GIS組件進(jìn)行初始化，而各個(gè)嵌入式系統(tǒng)在自己的界面系統(tǒng)中調(diào)用GIS模塊和CGGDI構(gòu)建GIS系統(tǒng)。當(dāng)然，嵌入式GIS系統(tǒng)也可以不調(diào)用界面系統(tǒng)，直接調(diào)用CG-GDI繪制用戶交互界面，再調(diào)用GIS模塊組成嵌入式GIS系統(tǒng)。

下面各圖是試驗(yàn)中基于CG-GDI構(gòu)建的嵌入式GIS系統(tǒng)，圖5所示是VxWorks下的GIS系統(tǒng)，調(diào)用了Zinc界面庫;圖6所示是Linux下沒有調(diào)用GUI系統(tǒng)構(gòu)建的GIS系統(tǒng)，使用鍵盤對(duì)地圖進(jìn)行操作;圖7所示是WinCE下的GIS系統(tǒng)，調(diào)用了MFC庫。

圖5 VxWorks下的GIS系統(tǒng)

圖6 Linux下的GIS系統(tǒng)

圖7 WinCE下的GIS系統(tǒng)

五、總 結(jié)

圖形是GIS的基礎(chǔ)，作為通用GIS圖形基礎(chǔ)的CG-GDI適用于VxWorks、Linux和WinCE等系統(tǒng)，以及PowerPC和X86系列CPU，基于CG-GDI開發(fā)的GIS系統(tǒng)不需要修改代碼就可以在這些軟硬件平臺(tái)上運(yùn)行。

本文的CG-GDI是在參考各嵌入式操作系統(tǒng)圖形設(shè)備接口的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，并且在VxWorks、嵌入式Linux和WinCE系統(tǒng)下得到了具體的實(shí)現(xiàn)，具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

1)專為嵌入式GIS設(shè)計(jì)。嵌入式GIS與一般的界面程序有許多不一致的地方，雖然沒有太復(fù)雜的圖形繪制，但是每次繪制工作量都特別大，CGGDI是專為嵌入式GIS的這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)的圖形設(shè)備接口。

2)具有方便實(shí)用的特點(diǎn)。CG-GDI在不同的硬件和操作系統(tǒng)上使用無須進(jìn)行復(fù)雜的移植，只需簡單地設(shè)置幾個(gè)參數(shù)，CG-GDI就可以在不同的嵌入式GIS系統(tǒng)中使用。

3)具有較好的執(zhí)行效率。不同系統(tǒng)下CG-GDI都是基于底層系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，沒有使用第三方開發(fā)的編程包，所以CG-GDI具有較高的執(zhí)行效率，這也能滿足嵌入式高效的要求。

4)具有易擴(kuò)展性的特點(diǎn)。雖然筆者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了VxWorks、Linux和WinCE系統(tǒng)下的CG-GDI，但其實(shí)CG-GDI是針對(duì)所有的嵌入式GIS系統(tǒng)的，要在其他的嵌入式操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)CG-GDI，只需繼承CG-GDI的相關(guān)虛類，具體實(shí)現(xiàn)其接口。

5)具有可裁剪的特點(diǎn)。用戶在使用CG-GDI時(shí)，并不是在所有的操作系統(tǒng)下使用，可以針對(duì)特定的用戶裁剪掉多余操作系統(tǒng)下CG-GDI的實(shí)現(xiàn)。

［1］ 華一新，吳升，趙軍喜.地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)［M］.北京：解放軍出版社，2001.

［2］ 羅國慶.VxWorks與嵌入式軟件開發(fā)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］ RIVER W.VxWorks程序員指南［M］.王金剛，高偉，等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［4］ 高俊.地理空間數(shù)據(jù)的可視化［J］.測繪工程，2000，9(3)：

1-7.

Design and Implementation of Common GIS-GDI

LIU Xiaolin，HUA Yixin，GE Wen，ZHANG Jiangshui

0494-0911(2010)11-0058-04

P208

B

2009-11-10

劉小林(1982—)，男，湖南衡陽人，博士生，主要從事GIS的研究與開發(fā)。