態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

楊詠建，祝勝強(qiáng)

(河北遠(yuǎn)東哈里斯通信有限公司，河北石家莊050035)

0 引言

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力、通信和應(yīng)急等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。一般的地理信息系統(tǒng)中都含有態(tài)勢(shì)標(biāo)繪功能，它可以用形象生動(dòng)的矢量符號(hào)描述各種業(yè)務(wù)對(duì)象，表示各種資源，還可以動(dòng)態(tài)渲染業(yè)務(wù)進(jìn)度和流程。一個(gè)性能比較好的態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)要求能支持大批量矢量符號(hào)的集中渲染重繪，不能延遲閃爍，圖像不能失真，同時(shí)還應(yīng)繪制各種業(yè)務(wù)的態(tài)勢(shì)圖，支持流暢的態(tài)勢(shì)演播功能。目前一般的標(biāo)繪系統(tǒng)都很少研究大批量矢量符號(hào)渲染性能，一般也沒有采用視頻方式來表現(xiàn)態(tài)勢(shì)演播功能，根據(jù)這2個(gè)主要的業(yè)務(wù)需求，重新設(shè)計(jì)了態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)。

1 標(biāo)繪系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)是以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，使用點(diǎn)、線、面符號(hào)和其他一些矢量符號(hào)，標(biāo)繪各種對(duì)象，動(dòng)態(tài)描述各種資源信息。在基本態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)之上優(yōu)化了海量矢量符號(hào)的顯示效果，并提出視頻形式的態(tài)勢(shì)演播系統(tǒng)。

1.1 總體需求

系統(tǒng)大體分為2個(gè)部分，資源標(biāo)繪子系統(tǒng)和態(tài)勢(shì)演播子系統(tǒng)，資源標(biāo)繪子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)矢量符號(hào)在地圖上的標(biāo)繪，主要包含添加、刪除、修改、添加標(biāo)注、修改大小以及顏色等顯示屬性，還要支持矢量符號(hào)的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)以及拖動(dòng)等效果。態(tài)勢(shì)演播子系統(tǒng)是為了滿足應(yīng)急處置時(shí)的各種態(tài)勢(shì)圖的動(dòng)態(tài)展現(xiàn)而設(shè)計(jì)的，主要功能包括態(tài)勢(shì)錄制、態(tài)勢(shì)播放、停止、暫停以及保存態(tài)勢(shì)文件、打開態(tài)勢(shì)文件、快進(jìn)和快退等，其中還包括地圖的一系列操作，比如放大、縮小及漫游等操作，從而產(chǎn)生一種流暢的視頻播放效果。

1.2 總體設(shè)計(jì)

資源標(biāo)繪子系統(tǒng)綜合考慮了資源管理和標(biāo)繪系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，用矢量符號(hào)表示一類資源，以經(jīng)緯度為關(guān)聯(lián)點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)資源信息，以地圖上的單擊，移動(dòng)等鼠標(biāo)操作來同步實(shí)現(xiàn)資源的添加、修改及刪除等操作，同時(shí)合理規(guī)劃數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使資源的維護(hù)支持動(dòng)態(tài)添加，資源的屬性也可以自動(dòng)添加，以矢量符號(hào)標(biāo)繪技術(shù)直觀地在地圖上展示資源。

態(tài)勢(shì)演播吸取了傳統(tǒng)態(tài)勢(shì)圖的經(jīng)驗(yàn)，將一張張態(tài)勢(shì)圖加上時(shí)間點(diǎn)連貫起來，使其變成和實(shí)際應(yīng)急時(shí)間相關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)態(tài)勢(shì)，這樣原來的態(tài)勢(shì)圖就變成態(tài)勢(shì)視頻了，更生動(dòng)，更符合調(diào)度實(shí)際，更具有時(shí)效性。將傳統(tǒng)的態(tài)勢(shì)圖變?yōu)閼B(tài)勢(shì)視頻形式，需要在標(biāo)繪過程中錄制一幀幀的態(tài)勢(shì)圖，冠以時(shí)間，錄制完畢后保存。然后在回放時(shí)，再從文件中讀取，按照時(shí)間播放每一幀，這樣就可以實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)演播效果了。

2 需要解決的問題

實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中必須解決好以下2個(gè)問題，標(biāo)繪符號(hào)閃爍失真問題和態(tài)勢(shì)文件太大不易傳輸?shù)膯栴}。

2.1 常規(guī)矢量標(biāo)繪的延遲、閃爍問題

在一般指揮調(diào)度系統(tǒng)中，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪作為基礎(chǔ)功能在應(yīng)急指揮調(diào)度中起著重要作用，尤其是在資源管理標(biāo)繪系統(tǒng)中，各種單位、物資、行動(dòng)路線和集結(jié)區(qū)域，經(jīng)常布滿整個(gè)地圖，在漫游地圖或者放大、縮小地圖等操作時(shí)地圖上的矢量符號(hào)經(jīng)常會(huì)發(fā)生延遲、閃爍等現(xiàn)象，大大影響了界面美觀和使用效率。

2.2 演練過程的態(tài)勢(shì)文件存儲(chǔ)問題

真正的演練過程，勢(shì)必前期要準(zhǔn)備詳盡的演練腳本，文字形式的腳本好編輯，但是地圖上的推演態(tài)勢(shì)想要?jiǎng)討B(tài)貫穿整個(gè)演練過程，就比較復(fù)雜。比較傳統(tǒng)的方法是針對(duì)演練的不同階段繪制不同的演練態(tài)勢(shì)圖，當(dāng)演練到達(dá)該步驟時(shí)將該態(tài)勢(shì)圖顯示到地圖上，這種方式比較原始，實(shí)際上類似于照片形式，它的弊端在于無法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)，生硬直板不夠形象。

如果把這些照片連貫起來加以細(xì)化，多個(gè)幀連起來加上時(shí)間點(diǎn)就變?yōu)閼B(tài)勢(shì)演練視頻了，這樣在演練過程中直接播放，生動(dòng)直觀又能突出態(tài)勢(shì)的演變過程，事實(shí)證明這種方式受到指揮領(lǐng)導(dǎo)一致好評(píng)。但是問題又出現(xiàn)了，隨著切片幀的增加，演練時(shí)間的增長(zhǎng)，這種照片形式的演播產(chǎn)生的演播文件也越來越大，占用了巨大硬盤空間，給態(tài)勢(shì)文件的保存、傳輸帶來不便。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 矢量符號(hào)渲染方式改進(jìn)

標(biāo)繪系統(tǒng)主要是由矢量符號(hào)庫、繪制函數(shù)庫、繪制渲染邏輯和上層業(yè)務(wù)組成，這里以繪制渲染邏輯為研究重點(diǎn)，繪制邏輯基本包含符號(hào)的縮放、閃爍、旋轉(zhuǎn)和拖動(dòng)等。常規(guī)的標(biāo)繪流程設(shè)計(jì)如圖1所示，繪制邏輯根據(jù)選擇的符號(hào)調(diào)用矢量繪制函數(shù)，間接調(diào)用系統(tǒng)API來繪制到地圖句柄上，這種常規(guī)設(shè)計(jì)常用在小型標(biāo)繪系統(tǒng)中，標(biāo)繪符號(hào)較少，在當(dāng)前主流配置主機(jī)上這種設(shè)計(jì)不會(huì)造成特別明顯的延遲和閃爍，但是應(yīng)急資源管理和調(diào)度過程中，需要展示的資源比如應(yīng)急物資、重點(diǎn)目標(biāo)、行進(jìn)路徑、救援車輛以及救援專業(yè)隊(duì)等將會(huì)布滿整個(gè)屏幕，成千上萬個(gè)資源不斷地渲染在地圖上就凸現(xiàn)出許多問題，延遲、閃爍，甚至重疊、擦除和失真等等。

圖1 標(biāo)繪基本流程圖

問題2.1主要是因?yàn)槎啻握{(diào)用系統(tǒng)繪制函數(shù)，資源耗費(fèi)嚴(yán)重導(dǎo)致其中大量矢量符號(hào)的繪制需要復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)，其中許多邏輯必須重復(fù)多次調(diào)用系統(tǒng)底層繪制接口，重復(fù)地申請(qǐng)系統(tǒng)資源，大量的計(jì)算對(duì)CPU也是巨大的考驗(yàn)，再加上上層業(yè)務(wù)的頻繁調(diào)用，使得繪制渲染邏輯模塊成為渲染性能的瓶頸?？紤]到矢量符號(hào)繪制函數(shù)比較多，整體改進(jìn)的可行性比較小，所以考慮改變繪制渲染邏輯以求能有效提升整個(gè)標(biāo)繪系統(tǒng)的性能。

為了消除閃爍和延遲現(xiàn)象，首先考慮到使用雙緩沖繪圖，所謂雙緩沖繪圖就是采用緩存實(shí)現(xiàn)的，傳統(tǒng)的繪圖方式實(shí)際上都是單緩沖，在Windows中每個(gè)設(shè)備都在內(nèi)存中有一個(gè)設(shè)備描述表與其對(duì)應(yīng)，這個(gè)設(shè)備描述表實(shí)際上就是一個(gè)內(nèi)存緩沖區(qū)，傳統(tǒng)的繪圖就是將圖形繪制到設(shè)備描述緩存區(qū)中，然后操作系統(tǒng)的圖形設(shè)備接口會(huì)自動(dòng)將前端緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到顯存中進(jìn)行顯示。雙緩沖圖形刷新技術(shù)在內(nèi)存中有2塊緩存，除了設(shè)備描述緩存區(qū)外，還需要手動(dòng)建立一個(gè)和設(shè)備描述緩沖區(qū)兼容的后備緩沖區(qū)，在繪圖過程中先將圖形繪制到后備緩沖區(qū)中，然后再手動(dòng)將后備緩沖區(qū)的圖像拷貝到前端緩沖區(qū)由系統(tǒng)自動(dòng)繪制。這種雙緩沖技術(shù)能很好地避免閃爍現(xiàn)象［1］。

但是在GIS實(shí)際操作中，常常是多種行為并列執(zhí)行，比如，在閃爍某資源符號(hào)時(shí)，進(jìn)行放大地圖或者隱藏某類資源。這個(gè)步驟看似很簡(jiǎn)單，但是后臺(tái)需要處理的繪制邏輯相當(dāng)復(fù)雜，在閃爍過程中，其實(shí)是由2個(gè)后備緩沖位圖交替拷貝到前端緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)的。但是在放大地圖或者隱藏顯示某類資源時(shí)，又會(huì)進(jìn)行重繪操作，放大地圖，也采用一個(gè)后備緩沖位圖來實(shí)現(xiàn)。隱藏某類資源也是采用一個(gè)后備緩沖位圖，這種常見的操作，就要需要至少3個(gè)后備緩沖圖來實(shí)現(xiàn)，如果單純使用雙緩沖，是無法完全滿足這種顯示需求的，因?yàn)樯鲜霾僮鲿?huì)交替重繪從而可能產(chǎn)生大馬賽克，甚至整個(gè)圖形扭曲。

仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)，這里缺少一種鎖機(jī)制，多個(gè)后備緩沖圖在拷貝到前端緩沖圖時(shí)發(fā)生沖突導(dǎo)致，在手動(dòng)拷貝到前端緩沖區(qū)時(shí)加上鎖，完了再解鎖，并禁止背景刷新，這樣就產(chǎn)生了多緩沖繪圖，圖2流程中就是使用多緩沖機(jī)制進(jìn)行矢量符號(hào)渲染方式改進(jìn)的流程圖。

圖2 矢量符號(hào)渲染方式改進(jìn)流程

所謂多緩沖機(jī)制，就是在通常的雙緩沖繪圖［1，2］基礎(chǔ)上，根據(jù)渲染邏輯不同采用多于 2個(gè)的后備緩沖位圖來繪制圖數(shù)據(jù)，按照渲染邏輯不同使用特定鎖機(jī)制來協(xié)調(diào)多個(gè)后備緩沖位圖依次拷貝到前端緩沖區(qū)，然后通過系統(tǒng)圖形設(shè)備接口自動(dòng)顯示。比如:大批量顯示和刪除、閃爍、放大縮小和旋轉(zhuǎn)，這些顯示邏輯在重復(fù)使用時(shí)，所有的繪制邏輯先生成緩沖數(shù)據(jù)，然后再繪制在各自相應(yīng)的后備緩沖位圖上，最終的前端緩沖位圖是由這些后備位圖數(shù)據(jù)組合而成，就是在繪制源位圖按照鎖機(jī)制拷貝到前端緩沖區(qū)。

這樣做首先避免了不斷地重繪地圖造成的顯存資源損耗;其次所有的繪制邏輯不實(shí)際繪制到地圖句柄，而是使用內(nèi)存拷貝方法BitBit，它支持圖形塊的數(shù)據(jù)復(fù)制，大大減少處理時(shí)間，消除了系統(tǒng)延遲［3］。實(shí)驗(yàn)證明這種多緩沖組合繪制方式能明顯提升海量符號(hào)渲染性能。

3.2 序列化存儲(chǔ)減少態(tài)勢(shì)文件大小

為了減少態(tài)勢(shì)文件［4］的大小，研究了矢量符號(hào)態(tài)勢(shì)的關(guān)鍵點(diǎn)序列化存儲(chǔ)方法［5，6］。該方法的基本原理是，考慮到矢量符號(hào)在繪制過程中是靠基礎(chǔ)點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)來渲染的，可以把那種圖片格式的態(tài)勢(shì)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化成符號(hào)對(duì)象的序列化存儲(chǔ)［7］。符號(hào)對(duì)象的序列化是指:符號(hào)對(duì)象由基礎(chǔ)點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)、控制點(diǎn)［8］和各種屬性組成，把這些點(diǎn)和屬性按照一定的數(shù)據(jù)格式序列化存儲(chǔ)起來，在顯示時(shí)再反序列化讀出來，再調(diào)用繪制邏輯重繪，幀序列化過程如圖3所示。

圖3 幀序列化和反序列化示意圖

具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 態(tài)勢(shì)演播示意圖

TS文件中存放的是帶有時(shí)刻的一系列幀組合數(shù)據(jù)，錄制時(shí)按照時(shí)間點(diǎn)序列化幀存儲(chǔ)到TS文件，回放時(shí)從TS文件中反序列化讀取幀。

TS文件的存儲(chǔ)采用二進(jìn)制流直接存儲(chǔ)。符號(hào)對(duì)象按照特定的屬性信息順序依次存儲(chǔ)，而一定時(shí)間內(nèi)的標(biāo)繪變化，是按照50 ms一幀存儲(chǔ)的。每一幀記錄的是當(dāng)前時(shí)刻地圖上所有符號(hào)對(duì)象的屬性序列化數(shù)據(jù)，其中還包含地圖的放大率、中心坐標(biāo)以及一些即時(shí)操作。

4 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過改進(jìn)后的多緩沖符號(hào)渲染機(jī)制，通過實(shí)驗(yàn)直觀地可以看到不再出現(xiàn)延遲和閃爍現(xiàn)象，同時(shí)使得后期的動(dòng)畫渲染也成為可能，比如行進(jìn)箭頭的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)，應(yīng)急車的行進(jìn)軌跡，疏散區(qū)域的顏色持續(xù)漸進(jìn)變化等等一系列動(dòng)畫效果實(shí)現(xiàn)起來更容易。如果沒有這種多緩沖機(jī)制，這種動(dòng)畫效果會(huì)變得非常卡，并且閃爍現(xiàn)象很明顯。事實(shí)證明多緩沖機(jī)制能有效提升標(biāo)繪系統(tǒng)的性能，因?yàn)樾Ч容^直觀，這里不再過多贅述，著重分析下序列化存儲(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果。

序列化態(tài)勢(shì)文件存儲(chǔ)在一定程度上增加了時(shí)間復(fù)雜度，但是能極大程度地減少存儲(chǔ)空間，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，圖片格式態(tài)勢(shì)文件和序列化態(tài)勢(shì)文件大小的比較數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 單幀大小對(duì)比結(jié)果

表2 十分鐘態(tài)勢(shì)文件大小對(duì)比結(jié)果

由表1和表2數(shù)據(jù)對(duì)比明顯得出:序列化存儲(chǔ)態(tài)勢(shì)演播文件可以極大程度降低文件所占存儲(chǔ)空間。以單幀表較數(shù)據(jù)為例，圖片和序列化格式大小對(duì)比為26:1，而以10 min態(tài)勢(shì)文件作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖片和序列化格式大小對(duì)比為6 423:1，經(jīng)過分析得知，單幀情況下圖片格式和序列化格式差距不是特別大，是因?yàn)樾蛄谢袷絾螏瑪?shù)據(jù)中地圖相關(guān)數(shù)據(jù)占大部分，其實(shí)符號(hào)序列化屬性數(shù)據(jù)在單幀中所占空間微乎其微。由此可以得出:矢量符號(hào)態(tài)勢(shì)的序列化存儲(chǔ)方法，能有效降低態(tài)勢(shì)文件的大小。

有了這種存儲(chǔ)機(jī)制，在態(tài)勢(shì)推演過程中的態(tài)勢(shì)錄制、態(tài)勢(shì)存儲(chǔ)、文件加密和文件傳輸過程中都極為方便，也不用擔(dān)心指揮系統(tǒng)服務(wù)器的硬盤空間不夠用。這種存儲(chǔ)方式一定程度上是增加了標(biāo)繪系統(tǒng)的計(jì)算量，相當(dāng)于是增加了部分時(shí)間復(fù)雜度來換取的低空間文件存儲(chǔ)，經(jīng)過實(shí)際演練效果檢驗(yàn)，雙核1.8 GHz的CPU，2G內(nèi)存配置XP系統(tǒng)中運(yùn)行標(biāo)繪演練系統(tǒng)，采用這種序列化機(jī)制存儲(chǔ)后，并沒有明顯地出現(xiàn)計(jì)算延遲，絲毫不影響顯示效果。綜上所述，這種存儲(chǔ)機(jī)制在這種態(tài)勢(shì)演練系統(tǒng)中是切實(shí)可行，方便有效的。

5 結(jié)束語

在研究態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)過程中，解決了海量資源渲染和態(tài)勢(shì)文件存儲(chǔ)2個(gè)難題，目前該態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)已交付用戶試用，用戶反映該系統(tǒng)性能良好，在資源管理系統(tǒng)中的資源符號(hào)展現(xiàn)效果良好，在聯(lián)合標(biāo)繪和態(tài)勢(shì)文件存儲(chǔ)、傳輸過程中，矢量符號(hào)序列化存儲(chǔ)方法也起到了重要作用。

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