油田工程應(yīng)用軟件圖形編輯關(guān)鍵技術(shù)

侯進(jìn)才* 劉潔

（1.中國(guó)石油天然氣管道局國(guó)際事業(yè)部；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油職業(yè)衛(wèi)生技術(shù)服務(wù)中心）

侯進(jìn)才等. 油田工程應(yīng)用軟件圖形編輯關(guān)鍵技術(shù). 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2013，24（4）：46～49

一款優(yōu)秀的軟件，不僅要能出色地完成系統(tǒng)功能，而且還要有美觀、方便的操作界面才能獲得用戶的青睞。圖形用戶界面簡(jiǎn)單的操作，能給用戶留下深刻的印象，用戶易于接受并積極使用。油氣集輸系統(tǒng)設(shè)備和參數(shù)眾多、工藝流程復(fù)雜，應(yīng)用最優(yōu)化理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行模擬優(yōu)化已經(jīng)取得了良好的效果。但是，由于模擬優(yōu)化過(guò)程比較復(fù)雜繁瑣，如果對(duì)整個(gè)工藝流程不是非常熟悉，就會(huì)增大軟件的操作難度，進(jìn)而影響軟件的使用率。如果將油氣集輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與工藝流程的圖形顯示相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出能夠滿足用戶工藝流程圖形編輯處理的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，則能夠顯著地提高油田工程應(yīng)用軟件的使用率。以油氣集輸管網(wǎng)圖形建模程序?yàn)槔瑥膶?shí)用角度出發(fā)詳細(xì)地給出了用 C++ Builder實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程中圖形繪制、編輯和存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)于編制可視化的圖形建模程序是通用的。

1 圖形程序關(guān)鍵技術(shù)

1.1 繪圖區(qū)及坐標(biāo)系

繪圖區(qū)是圖形建模程序主界面的主體部分，主要用于進(jìn)行管網(wǎng)圖形的繪制、編輯、修改、顯示等操作。C++ Builder提供的 TImage元件可以裝載圖形，并能將其看做是一塊畫(huà)布，在上面繪圖并顯示。因此，本程序應(yīng)用該組件提供的矩形區(qū)域作為繪圖區(qū)。

Windows應(yīng)用程序在其客戶區(qū)繪制圖形時(shí)，首先要給出客戶區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)。繪圖區(qū)域上的每一個(gè)點(diǎn)用x和y兩個(gè)坐標(biāo)表示，而在所有的GDI（Graphics Device Interface，圖形設(shè)備接口）繪制函數(shù)中，這些坐標(biāo)使用的是一種“邏輯單位”。當(dāng) GDI函數(shù)將結(jié)果輸出到某個(gè)物理設(shè)備（如屏幕或打印機(jī)）上時(shí)，Windows將邏輯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成設(shè)備坐標(biāo)。邏輯坐標(biāo)所在的坐標(biāo)系稱為“窗口”，將設(shè)備坐標(biāo)所在的坐標(biāo)系稱為“視口”；邏輯坐標(biāo)和設(shè)備坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換是由映射模式?jīng)Q定的，Windows提供了多種類映射方式，其中MM_TEXT（“文本”映射模式）是最簡(jiǎn)單的一種方式，在這種映像方式下窗口和視口中的坐標(biāo)單位都是像素點(diǎn)，坐標(biāo)方向相同：x向的正方向向右，y向的正方向向下，本程序就采用這種映射方式實(shí)現(xiàn)邏輯坐標(biāo)和設(shè)備坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

在開(kāi)發(fā)圖形建模程序圖形編輯器時(shí)，如果選擇一個(gè)固定的坐標(biāo)映像方式，就不能實(shí)現(xiàn)圖形無(wú)極放縮的要求，因而大多數(shù)映像方式的設(shè)備無(wú)關(guān)性就沒(méi)有實(shí)際的意義。在本圖形建模程序中圖形元素的坐標(biāo)是采用雙精度型來(lái)表示，而MM_TEXT映像方式下坐標(biāo)的單位是像素（整數(shù)）。因此，對(duì)于Windows消息（如 WM_MOUSE_MOVE）所獲得的鼠標(biāo)光標(biāo)的坐標(biāo)值即屏幕坐標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)其與圖形元素的實(shí)際坐標(biāo)之間的映射［1］，程序定義了兩個(gè)函數(shù)Field_Win和Win_Field來(lái)完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行圖形元素的處理和存儲(chǔ)。在這兩個(gè)函數(shù)中，給出一個(gè)確定實(shí)際坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)比例關(guān)系的變量pd_MapScale，調(diào)整其大小即可以實(shí)現(xiàn)圖形的無(wú)極縮放。同時(shí)，還有圖幅寬度常量（Bx、By）和滾動(dòng)條位置變量（Xs、Ys）。坐標(biāo)映射函數(shù) Field_Win和W in_Field如下：

為了與用戶日常繪圖習(xí)慣相適應(yīng)，在本程序開(kāi)發(fā)的實(shí)際坐標(biāo)系中，取繪圖區(qū)的左下角點(diǎn)為原點(diǎn)，設(shè)其坐標(biāo)為（Min X_，Min Y_）。在視口中繪制圖形元素時(shí)，只采用MM_TEXT映像方式，通過(guò)實(shí)際坐標(biāo)與邏輯坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換來(lái)繪制圖形。圖形系統(tǒng)的坐標(biāo)系建立后，調(diào)整視圖屏幕的實(shí)際起點(diǎn) Min X_，Min Y_就可以實(shí)現(xiàn)圖形的滾動(dòng)，調(diào)整邏輯坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)的比例關(guān)系 pd_MapScale就可以實(shí)現(xiàn)圖形的無(wú)極縮放。

1.2 圖元的繪制

圖元的繪制可以使用位圖和繪圖函數(shù)兩種方式，采用位圖繪圖時(shí)，由各元件的位圖在繪圖區(qū)域拼裝組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。繪圖函數(shù)主要是指GDI中的各種圖形繪制和控制函數(shù)。C++ Builder中的TCanvas類封裝了Windows GDI以及相關(guān)的圖像繪制和控制函數(shù)，并且為繪圖對(duì)象提供了抽象的畫(huà)布，可以指定使用的畫(huà)筆、畫(huà)刷和字體，實(shí)現(xiàn)繪制、填充各種圖案和直線以及寫(xiě)入文本［2］。程序中圖元的繪制主要是通過(guò)調(diào)用TCanvas類的各種方法實(shí)現(xiàn)的，具體為，節(jié)點(diǎn)類用Stretch Draw函數(shù)調(diào)用已經(jīng)存在的位圖繪制，管線類用 MoveTo（int X，int Y）、LineTo（int X，int Y）等繪圖函數(shù)繪制。

要繪制一個(gè)圖元，基本思路就是對(duì)鼠標(biāo)左鍵的3個(gè)事件分別進(jìn)行編程：一是，當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)，首先要判斷繪制的是哪一類圖元，然后記錄下鼠標(biāo)在繪圖區(qū)中的邏輯坐標(biāo)，并創(chuàng)建一個(gè)圖元的對(duì)象指針，用這個(gè)對(duì)象指針調(diào)用該對(duì)象類的繪圖函數(shù)，通過(guò)TCanvas類中的方法進(jìn)行圖元的繪制；二是，當(dāng)按下左鍵并移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，應(yīng)用畫(huà)布Canvas屬性畫(huà)筆Pen模式PenMode中的pmXor模式（異或模式，或者也可以用 pmNotXor模式），讓 Pen的Color屬性和繪圖區(qū)的Color屬性做XOR運(yùn)算，并在同一位置畫(huà)兩次線，刪除掉原先繪制的圖元，然后更新參考點(diǎn)坐標(biāo)，恢復(fù)Pen的模式為pmCopy（復(fù)制模式）；三是，當(dāng)放開(kāi)左鍵時(shí)，調(diào)用繪圖函數(shù)繪制圖元，并給出圖元基礎(chǔ)信息交互界面，確認(rèn)圖元繪制操作和完成信息存儲(chǔ)。一方面，各個(gè)圖元獨(dú)立地?fù)碛兄约旱膱D元信息，因而，用戶依然可以對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的編輯操作；另一方面，這些信息都保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)圖形重新加載時(shí)，就可以利用這些圖元信息做到準(zhǔn)確無(wú)誤地恢復(fù)整個(gè)圖紙。

在管線的繪制過(guò)程中，使用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的橡皮筋技術(shù)［3］，它主要針對(duì)變形類的要求，動(dòng)態(tài)地、連續(xù)地將變形過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)，常常用來(lái)構(gòu)造直線段。在繪圖過(guò)程中，動(dòng)態(tài)地顯示中間圖形，供設(shè)計(jì)者通過(guò)定位器（鼠標(biāo)、鍵盤等）進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，直到滿意后才確定下來(lái)。

圖元拾取是指在圖形空間通過(guò)某些策略搜尋到所需的幾何元素［4］。它是任何交互式繪圖程序都必須具備的基本功能，是對(duì)圖元進(jìn)行移動(dòng)、刪除、修改等編輯操作的前提和基礎(chǔ)，只有首先完成了拾取操作才能對(duì)圖元進(jìn)行其他各種編輯操作。拾取效率直接關(guān)系到交互操作的快慢，尤其是生成一個(gè)復(fù)雜圖形時(shí)，拾取效率顯得尤為重要；另外，拾取的準(zhǔn)確度及可靠性同樣影響系統(tǒng)操作的可靠性及效率。拾取圖元的基本方法是：在屏幕上拾取一點(diǎn)，判斷該點(diǎn)在哪一圖元上［3］。程序充分考慮各種圖元的外形特征，將圖元的拾取分為點(diǎn)的拾取和線段的拾取兩大類［5］。

第一類點(diǎn)的拾?。簽榱朔奖阌脩暨M(jìn)行拾取操作，系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)拾取精度r（r＞0），在當(dāng)前光標(biāo)位置為 Pl()時(shí)，如果某個(gè)圖元節(jié)點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)P (x, y )滿足：

即鼠標(biāo)點(diǎn)擊點(diǎn)和待拾取點(diǎn)的距離小于給定的拾取精度，則表明點(diǎn)P(x,y)被選中。

圖1 線段的拾取方法

具體判別方法是：線段P0P1所在直線的方程為：

垂直于線段P0P1的直線族可以表示為：

則光標(biāo)點(diǎn)位于矩形區(qū)域的判別條件為：

式（5）中，第一個(gè)條件表示光標(biāo)點(diǎn) Pl()位于過(guò)線段兩端點(diǎn)處的兩條直線之間，第二個(gè)條件表示光標(biāo)點(diǎn) Pl()到線段P0P1的垂直距離應(yīng)不超過(guò)r0。

在設(shè)計(jì)拾取算法時(shí)，為了保證在各種情況下能準(zhǔn)確地拾取到所需的圖元，將拾取精度同窗口變化、圖形縮放等因素結(jié)合起來(lái)，并用系數(shù)β表示。此外，為了提高圖元拾取效率，判斷某個(gè)圖元是否被選中時(shí)，首先進(jìn)行初選，方法是判斷圖元的屬性是否當(dāng)前操作圖元，對(duì)通過(guò)初選的圖元進(jìn)行進(jìn)一步的比較。一旦圖元選取成功則終止比較以避免無(wú)謂的計(jì)算，同時(shí)，根據(jù)選中圖元的 ID號(hào)從數(shù)據(jù)資源中找到圖元類的其他信息，從而為圖元的編輯做好準(zhǔn)備。拾取完成以后，給出相應(yīng)的交互式操作界面。

1.3 圖元的移動(dòng)

圖元在繪圖區(qū)繪制好后，為適合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮侠聿季?，有時(shí)需要進(jìn)行位置的調(diào)整，即圖元的移動(dòng)操作。利用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)圖元移動(dòng)的操作，無(wú)論是向上、向下、向左、向右等，其原理是一樣的。先通過(guò)左鍵鼠標(biāo)準(zhǔn)確地拾取待移動(dòng)的圖元，拖動(dòng)到合適的位置以后，放開(kāi)鼠標(biāo)左鍵，更新該圖元的坐標(biāo)信息，并將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為實(shí)際坐標(biāo)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后重新繪制集輸管網(wǎng)圖形，實(shí)現(xiàn)了圖元的移動(dòng)。

1.4 圖元的刪除

當(dāng)一個(gè)圖元?jiǎng)?chuàng)建完畢后，如果不符合條件，可點(diǎn)擊工具欄上相應(yīng)圖元類的刪除按鈕；然后，拾取不符合條件的圖元，可以將其刪除。在程序中，當(dāng)刪除事件被觸發(fā)后，調(diào)用該圖元的 Delete接口方法，將圖元的刪除屬性賦值為 true，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)找到對(duì)應(yīng)的ID，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，利用數(shù)據(jù)庫(kù)的ADO命令將其刪除；最后，重新繪制集輸管網(wǎng)圖形，實(shí)現(xiàn)了圖元的刪除操作。

1.5 圖元的存儲(chǔ)

關(guān)于圖元的保存，考慮到實(shí)現(xiàn)圖形建模程序關(guān)閉后可重新調(diào)出已經(jīng)畫(huà)好的集輸管網(wǎng)圖再次進(jìn)行操作，即，要求程序具有重畫(huà)的功能，存為位圖或圖標(biāo)等格式顯然是不可取的，因此，將其幾何結(jié)構(gòu)以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。幾何圖形數(shù)據(jù)有多種存儲(chǔ)方式和存儲(chǔ)方法，良好的存儲(chǔ)方法將為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于節(jié)點(diǎn)類，定義了結(jié)構(gòu)體數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的名稱、x標(biāo)和y坐標(biāo)等幾何信息，并將其作為一條記錄，存儲(chǔ)在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)類數(shù)據(jù)表中。對(duì)于管線類，定義了單相鏈表來(lái)記錄管線的起終點(diǎn)坐標(biāo)，并將相關(guān)信息也存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)需要打開(kāi)已經(jīng)繪好的集輸管網(wǎng)圖時(shí)，只需從數(shù)據(jù)庫(kù)中把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息讀出來(lái)放到結(jié)構(gòu)體數(shù)組和鏈表中，再利用繪圖函數(shù)就可以畫(huà)出各圖元，從而實(shí)現(xiàn)了圖形的二次使用，也體現(xiàn)了數(shù)據(jù)圖形一體化。另外，為了與其他圖形編輯器的圖形格式兼容，軟件也設(shè)置了位圖存儲(chǔ)格式。

1.6 屏幕的縮放

屏幕縮放主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：屏幕放大、屏幕縮小和全屏顯示。在屏幕的縮放過(guò)程中，各圖元的實(shí)際坐標(biāo)并沒(méi)有發(fā)生變化，變化的是實(shí)際坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)比例關(guān)系變量pd_MapScale。當(dāng)[pd_MapScale]變化后/[pd_MapScale]變化前>1時(shí)，屏幕放大；當(dāng)[pd_MapScale]變化后/[pd_MapScale]變化前<1時(shí)，屏幕縮小。當(dāng)用戶點(diǎn)擊工具欄上的屏幕放大工具按鈕或點(diǎn)擊“比例”菜單下“放大”選項(xiàng)時(shí)，pd_MapScale會(huì)以 10%的比例增大，變成原來(lái)的 1.1倍，即[pd_MapScale]變化后/[pd_MapScale]變化前=1.1，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用繪圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)比例關(guān)系變量pd_MapScale變化后的圖形繪制；同理，反之亦然。當(dāng)用戶需要在繪圖區(qū)內(nèi)顯示已經(jīng)繪制好的整個(gè)集輸管網(wǎng)圖時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)的最值（包括x最大、最小和y最大、最?。┡c繪圖區(qū)的寬度和高度之間的大小關(guān)系，來(lái)確定一個(gè)最優(yōu)的實(shí)際坐標(biāo)與屏幕坐標(biāo)比例關(guān)系變量pd_MapScale，從而將整個(gè)集輸管網(wǎng)圖以最適合的大小顯示給用戶。

1.7 屏幕閃爍的消除

圖形建模程序采用Canvas繪圖技術(shù)，通過(guò)調(diào)用不同的繪圖函數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)、管線等圖元的繪制與添加；然而，當(dāng)用戶對(duì)圖形進(jìn)行編輯操作時(shí)，需要重新繪制圖形。重新繪制的過(guò)程總是先用背景色將顯示區(qū)清除，然后再調(diào)用繪圖函數(shù)進(jìn)行繪制，而背景色往往與繪圖內(nèi)容反差很大，這樣在短時(shí)間內(nèi)背景色與顯示圖形的交替出現(xiàn)，使得顯示窗口看起來(lái)在閃爍，即，屏幕閃爍是由于屏幕上顯示內(nèi)容更新不同步造成的。采用雙緩沖繪圖機(jī)理可以有效地消除屏幕閃爍。雙緩沖機(jī)理是先在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)與屏幕繪圖區(qū)域一致的對(duì)象；然后，將圖形繪制在內(nèi)存對(duì)象上；最后，一次性將這個(gè)對(duì)象上的圖形拷貝到屏幕上，這樣顯示內(nèi)存中的數(shù)據(jù)達(dá)到了同時(shí)更新的目標(biāo)，消除了屏幕閃爍現(xiàn)象。

2 結(jié)語(yǔ)

所給出的繪圖區(qū)和坐標(biāo)系統(tǒng)建立、圖元繪制、拾取、移動(dòng)、刪除和存儲(chǔ)以及屏幕縮放等程序設(shè)計(jì)思想可以用于類似的其他工程應(yīng)用軟件。在具體的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，線段類圖元的移動(dòng)可以考慮整體平移和固定一段移動(dòng)另一端兩種方式，以及選擇多個(gè)圖元同時(shí)移動(dòng)等方式。此外，除了上述幾種基本的圖形繪制與編輯操作外，程序設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)實(shí)際需要增加其他功能，如，圖元的復(fù)制、粘貼、撤銷與重做等功能。針對(duì)具體工藝流程中涉及的閥、泵等有進(jìn)出口的圖元，以及油井、油罐等僅有一個(gè)入口或出口的圖元，程序員還可以根據(jù)需要進(jìn)行細(xì)化處理。

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