基于 MS.NET的 GDI+在電力系統(tǒng)矢量圖中的應(yīng)用

胡潤(rùn)滋，胡鵬飛

（1.重慶市電力公司調(diào)度控制中心，重慶 400014;2.重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039）

0 引言

矢量圖形系統(tǒng)是電力系統(tǒng)分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、監(jiān)控、管理等諸多應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖形可視化的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)矢量圖形系統(tǒng)，大多數(shù)是利用傳統(tǒng)的Windows圖形設(shè)備接口技術(shù)GDI構(gòu)建起來的，對(duì)各種電氣元件圖元的繪制及圖元的點(diǎn)選、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作，需要進(jìn)行圖元坐標(biāo)變換等大量數(shù)值計(jì)算。圖形程序設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，開發(fā)工作量大、代碼維護(hù)比較困難［1-4］。而MS.NET框架的類層次結(jié)構(gòu)，較好地封裝了新一代的圖形設(shè)備接口技術(shù)GDI+，大大簡(jiǎn)化了基于Windows和Web的圖形應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)難度，利用GDI+技術(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)矢量圖形系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，避免了傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文結(jié)合在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合計(jì)算及信息管理系統(tǒng)的實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中的體會(huì)，介紹GDI+核心技術(shù)在電力系統(tǒng)矢量圖形系統(tǒng)開發(fā)中的具體應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明，所采用的技術(shù)手段較傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)便靈活，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、開發(fā)工作量小，效率高，程序代碼更易于維護(hù)、復(fù)用率高，不需要進(jìn)行大量的坐標(biāo)變換數(shù)值計(jì)算，運(yùn)行速度也較快。

1 基于GDI+技術(shù)圖元繪制及變換

1.1 GDI+技術(shù)

GDI+是最新的Windows圖形設(shè)備編程接口技術(shù)，是傳統(tǒng)GDI技術(shù)的升級(jí)。GDI是Windows API中的圖形編程接口，是面向過程的圖形處理函數(shù)集合。GDI+完全集成到MS.NET Framework中，用于圖形編程，同時(shí)也是面向?qū)ο蟮摹DI+技術(shù)的所有功能包含在MS.NET Framework的6個(gè)命名空間中，這6個(gè)空間如圖1所示。

本文只探討涉及到 System.Drawing，System.Drawing.Drawing2D兩個(gè)命名空間所包含的部分功能在電力系統(tǒng)矢量圖中的應(yīng)用。

圖1 命名空間結(jié)構(gòu)關(guān)系

1.2 GDI+技術(shù)較傳統(tǒng)圖形編程技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

MS.NET框架類庫(kù)中封裝的 GDI+是.NET新型面向?qū)ο笳Z(yǔ)言C#、VB.NET等的圖形設(shè)計(jì)技術(shù)，它提供了易于理解的、基于繼承的對(duì)象模型。與傳統(tǒng)圖形編程技術(shù)比較，GDI+技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)GDI+包含的類能夠直接實(shí)現(xiàn)那些用GDI很難編寫的功能，并且GDI+完全集成到MS.NET Framework中，大大提高了圖形應(yīng)用程序的開發(fā)效率。

(2)GDI+使用面向?qū)ο蟮念悓哟谓Y(jié)構(gòu)。GDI+編程包括創(chuàng)建圖形對(duì)象，設(shè)置其屬性和調(diào)用相關(guān)對(duì)象的方法，同時(shí)使用方法重載，因此在調(diào)用GDI+對(duì)象的方法時(shí)，可以選擇帶有最合適參數(shù)集的方法(或重載)。

(3)在同一操作中既有繪制圖形的輪廓，又填充其內(nèi)部區(qū)域，這兩個(gè)操作沒有本質(zhì)上的聯(lián)系。但GDI+能識(shí)別繪制圖形的輪廓和填充其內(nèi)部區(qū)域之間的區(qū)別，并為這兩個(gè)任務(wù)提供了不同的操作，從而使繪制圖形表面更靈活。

(4)在使用其他圖形處理系統(tǒng)時(shí)，會(huì)得到繪圖表面的設(shè)備信息，然后把這些設(shè)備信息作為一個(gè)參數(shù)傳遞給繪圖函數(shù)。這些設(shè)備上下文信息維護(hù)了許多狀態(tài)，例如當(dāng)前的鋼筆、筆刷、點(diǎn)(在繪制線條時(shí)等使用)。GDI+則為開發(fā)人員隱藏了這種復(fù)雜性，提供了一種更為簡(jiǎn)便的方法，消除了因?yàn)殚_發(fā)人員沒有設(shè)置所有必要的狀態(tài)(因此會(huì)隨機(jī)“繼承”代碼其他部分中的狀態(tài))而引起的錯(cuò)誤。

(5)在GDI+中提供了GraphicsPath和Region兩個(gè)重要的類，這兩個(gè)類用來處理更不規(guī)則的形狀，同時(shí)可以把一組形狀組合起來，進(jìn)行更高效的處理，使用GraphicsPath和Region類繪制復(fù)雜的路徑和形狀，但在屏幕上顯示完成的路徑或形狀這一操作，可以在一種方法調(diào)用中完成，從而簡(jiǎn)化復(fù)雜圖元的設(shè)計(jì)、繪制。

1.3 GDI+技術(shù)圖形功能方案設(shè)計(jì)

圖形操作功能包括圖元的繪制、點(diǎn)選、圖元的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等變換功能、圖元尺寸調(diào)整、打印等。

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算及定值管理軟件所涉及的電氣元件包括發(fā)電機(jī)、變壓器(包括雙繞組變壓器、三繞組變壓器、自耦變壓器)、斷路器、母線、線路、接地裝置等。基于MS.NET的GDI+技術(shù)不僅提供了實(shí)現(xiàn)圖元繪制的筆和筆刷的屬性(包括筆的顏色，寬度以及筆刷的顏色)，而且還擁有大量的繪制圖形的方法，以及由一系列圖形組合而成的圖元的圖形路徑GraphicPath類。

系統(tǒng)普通圖元和電氣設(shè)備圖元都可以設(shè)計(jì)由GDI+動(dòng)態(tài)創(chuàng)建繪制，內(nèi)存占用小，運(yùn)行時(shí)可由用戶動(dòng)態(tài)定制其線寬、顏色、線型等，任意調(diào)整其尺寸、任意旋轉(zhuǎn)等，對(duì)圖元進(jìn)行縮放等操作時(shí)，不存在圖元變形和失真，用戶定制圖元操作簡(jiǎn)單，工作量小，是純粹的矢量圖。而現(xiàn)有的電力系統(tǒng)矢量圖形，大多在設(shè)計(jì)時(shí)或運(yùn)行時(shí)通過繪圖工具來定制設(shè)備圖元，以位圖方式存放，在圖元繪制時(shí)載入相應(yīng)的位圖圖元，內(nèi)存占用大，縮放操作時(shí)圖元存在變形和失真，用戶定制圖元操作復(fù)雜、工作量大。

1.3.1 繪圖區(qū)域，坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)置

GDI+可以提供三種繪圖表面(即窗體，打印機(jī)，圖像)，當(dāng)我們利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖元繪制時(shí)，指的是計(jì)算機(jī)顯示屏幕上的一個(gè)窗口，即窗體。窗體由客戶區(qū)域和非客戶區(qū)域組成，客戶區(qū)域就是我們可以在其中繪圖的矩形區(qū)域，繪圖區(qū)域的大小根據(jù)我們的需要，使用以下代碼屬性來設(shè)置修改繪圖區(qū)域的大小。即:

This.ClientSize= new Size(width，height);width，height為一組整數(shù)值，表示繪圖矩形區(qū)域的寬度和高度。

GDI+技術(shù)的坐標(biāo)系采用通用坐標(biāo)系，頁(yè)坐標(biāo)系，設(shè)備坐標(biāo)系三種。

通用坐標(biāo)系是我們?cè)趹?yīng)用程序中引用的坐標(biāo)系，無(wú)論何時(shí)向任一繪圖函數(shù)傳遞坐標(biāo)，我們都是在通用坐標(biāo)系下表示這些坐標(biāo)，坐標(biāo)用浮點(diǎn)精度表示。頁(yè)坐標(biāo)系的配置決定了繪圖操作的單位，度量單位是Pixel，它的原點(diǎn)位于客戶區(qū)域的左上角。設(shè)備坐標(biāo)系基于像素坐標(biāo)——也是相對(duì)于客戶區(qū)域的左上角(或頁(yè)面可打印區(qū)域的左上角)。

所以，當(dāng)GDI+向一個(gè)設(shè)備(如顯示器)輸出時(shí)，會(huì)發(fā)生兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:一次通用變換(world transformation)(通用坐標(biāo)向頁(yè)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換)，以及一次頁(yè)變換(頁(yè)坐標(biāo)向設(shè)備坐標(biāo)的變換)。

應(yīng)用GDI+技術(shù)進(jìn)行圖形編程時(shí)，繪圖函數(shù)使用通用坐標(biāo)系，而圖元變換是通過一次通用變換(world transformation)(通用坐標(biāo)向頁(yè)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等功能。

1.3.2 應(yīng)用GDI+技術(shù)繪制圖元

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)電氣接線圖的各種電氣元件，可以看成是由各種圖形(如圓、直線、弧、曲線等)組合而成，如發(fā)電機(jī)圖元可以認(rèn)為是由一個(gè)圓、一段弧和一條直線(引出線部分)組成，只需要通過調(diào)用GDI+進(jìn)行圖元各組成部分的繪制設(shè)計(jì)。圖元所占用的內(nèi)存和繪圖資源，由MS.NET公共語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)CLR中無(wú)用內(nèi)存單元垃圾回收器GC自動(dòng)管理，不存在內(nèi)存泄漏問題。

在繪制由各種基本圖形組合而成的電氣元件時(shí)，我們充分應(yīng)用GDI+提供的GraphicPath類，由GraphicPath類生成的對(duì)象表示一組子路徑或圖形。每個(gè)圖形是一條連接起來的路徑，由一系列直線段、曲線段和幾何圖形組成。這些線段和幾何圖形用GDI+中的任意標(biāo)準(zhǔn)方式來描述——圓弧、橢圓、矩形等。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)圖元，只需按正確的順序繪制圖元的各個(gè)組成部分，GraphicPath對(duì)象就把圖元計(jì)算為一個(gè)把這些組成輪廓以指定的順序連接起來后所得的輪廓。以下是一個(gè)以發(fā)電機(jī)圖元為例，應(yīng)用GDI+技術(shù)，用C#程序語(yǔ)言編寫的發(fā)電機(jī)圖元繪制的程序片段:

運(yùn)行該繪圖程序后，繪制的發(fā)電機(jī)圖元如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)圖元

對(duì)圖元進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，首先要對(duì)操作的圖元進(jìn)行點(diǎn)選，圖元的點(diǎn)選通過GDI+提供的Region類中的IsVisible方法來實(shí)現(xiàn)，即判斷當(dāng)前鼠標(biāo)點(diǎn)擊的坐標(biāo)是否包含在所選擇的、經(jīng)過圖形變換處理后的圖元路徑的內(nèi)部區(qū)域中。如果圖元路徑區(qū)域含有該點(diǎn)的坐標(biāo)，則表明圖元是所要選取的圖元，同時(shí)以選取框表示選中的圖元。圖3是圖2所示的發(fā)電機(jī)圖元，通過點(diǎn)選操作后旋轉(zhuǎn)90度的圖元。

圖3 旋轉(zhuǎn)后的發(fā)電機(jī)圖元

1.3.3 圖元變換

矢量圖形系統(tǒng)中對(duì)各種圖元的點(diǎn)選、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，傳統(tǒng)技術(shù)要進(jìn)行大量復(fù)雜繁瑣的坐標(biāo)變換數(shù)值計(jì)算，而利用GDI+技術(shù)提供的圖形變換方法，不需要作任何直接的坐標(biāo)變換運(yùn)算，大大簡(jiǎn)化了其運(yùn)算過程，可以得到更簡(jiǎn)捷的解決方案。

應(yīng)用GDI+技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖元變換，實(shí)際操作的是一個(gè)Matrix對(duì)象，該對(duì)象由方法建立，Matrix對(duì)象定義了所謂的仿射變換(保持共線性變換，意味著平行線在變換之后總是保持平行)。因此，在執(zhí)行圖元的簡(jiǎn)單變換或是復(fù)雜變換，都是仿射變換。在一個(gè)繪圖區(qū)域中應(yīng)用GDI+技術(shù)進(jìn)行圖元變換時(shí)，它會(huì)應(yīng)用于后繼的所有繪圖操作，每次執(zhí)行繪圖操作時(shí)，GDI+都通過應(yīng)用當(dāng)前的變換來改變繪圖操作的結(jié)果。

圖元變換時(shí)采用的Matrix表示如下:

實(shí)現(xiàn)圖元變換功能的各種方法如下:

(1)ScaleTransform在通用變換中應(yīng)用一次縮放;

(2)TranslateTransform在通用變換中應(yīng)用一次平移(水平或垂直移動(dòng));

(3)RotateTtransform按指定的度數(shù)在通用變換中圍繞點(diǎn)(0，0)執(zhí)行一次旋轉(zhuǎn);

(4)MultiplyTransform在通用變換中追加一次變換Matrix對(duì)象。即現(xiàn)有一個(gè)變換，我們使用MultiplyTransform方法，在現(xiàn)有變換中追加指定的變換。

2 圖元數(shù)據(jù)庫(kù)交互設(shè)計(jì)

圖形是數(shù)據(jù)的一種形象的表現(xiàn)形式，它的特點(diǎn)是形象和直觀。數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和管理的工具。任何一個(gè)系統(tǒng)的建立，其實(shí)質(zhì)都是數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)建立。

圖元數(shù)據(jù)庫(kù)交互設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是面向設(shè)備的建模方式的實(shí)現(xiàn)，就是把設(shè)備圖元對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)記錄一一對(duì)應(yīng)，在定義一個(gè)設(shè)備圖元對(duì)象的同時(shí)自動(dòng)追加一條數(shù)據(jù)庫(kù)記錄;同時(shí)設(shè)備圖元的模型參數(shù)集合及其錄入界面根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的結(jié)構(gòu)自動(dòng)修正。利用設(shè)備對(duì)象圖元生成數(shù)據(jù)庫(kù)記錄是圖元數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的字段改變時(shí)，設(shè)備圖元的模型參數(shù)和錄入界面必須做出相應(yīng)的修正，才能做到圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。

圖元數(shù)據(jù)庫(kù)通過 MS.NET的最新技術(shù) ADO.NET進(jìn)行訪問。ADO.NET徹底地支持像Web這樣的分布式體系結(jié)構(gòu)，并利用XML在分布式組件中傳送數(shù)據(jù)。而且ADO.NET將各種邏輯條件進(jìn)行組合來處理離散的記錄集合，這些集合中包含了任意數(shù)據(jù)類型，即使和數(shù)據(jù)庫(kù)失去聯(lián)系，設(shè)備照樣可以工作。當(dāng)斷開時(shí)，用戶可以利用結(jié)果集進(jìn)行工作，ADO.NET將所做的變化都隱藏起來，只有當(dāng)需要對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)所做的修改發(fā)回?cái)?shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，連接才有必要。連接只是暫時(shí)地利用該連接單向地發(fā)送對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)所做的添加、更新和刪除等操作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合在電力系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合計(jì)算及信息管理系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)過程中的體會(huì)，介紹了GDI+技術(shù)在基于MS.NET的電力系統(tǒng)矢量圖形系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用表明，所采用的技術(shù)手段較之傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)便靈活、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、開發(fā)工作量小、效率高，程序代碼更易于維護(hù)、復(fù)用率高，不需要進(jìn)行大量的坐標(biāo)變換數(shù)值計(jì)算，運(yùn)行速度也較快。GDI+在電力系統(tǒng)圖形設(shè)計(jì)應(yīng)用中具有較好的實(shí)用價(jià)值，有廣泛的應(yīng)用前景。

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