一種基于PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注的遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)系統(tǒng)

婁景藝，屈曉旭（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引言

目前，短波通信因其應(yīng)用范圍廣、抗毀性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)（可全球通信）、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，仍是船舶遠(yuǎn)洋航行中不可或缺的通信手段[1]。依托短波通信系統(tǒng)構(gòu)建基于計(jì)算機(jī)輔助協(xié)同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）[2-3]技術(shù)的遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)平臺(tái)，對(duì)于保持和提高船舶的持續(xù)運(yùn)行能力具有顯著意義。但是，由于短波信道環(huán)境惡劣，短波通信帶寬一般較窄，在美國國防部最新提出的MIL-STD-188-141C短波組網(wǎng)協(xié)議中，最大信道帶寬也只有24 kHz[4]，通常僅能支持話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。現(xiàn)有基于語音的遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)方式主要存在以下兩方面問題：一是維修指導(dǎo)雙方難以快速準(zhǔn)確地描述指示燈和故障模塊的位置、具體檢修的方法和位置、顯示的具體情況等輔助信息；二是通常短波語音通信可懂度低，維修指導(dǎo)過程開展困難。相比話音通信，短波低速數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性稍差，但可靠性高。本文利用短波低速數(shù)據(jù)通信設(shè)備，基于PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種窄帶通信條件下的所見即所得（What You See Is What You Get，WYSIWYG）的高效維修信息描述和傳遞手段。

1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

維修指導(dǎo)過程中常見的信息包括故障位置、故障狀態(tài)、自檢結(jié)果、檢修位置等，在低通信帶寬條件下，將維修信息進(jìn)行合理編碼能夠有效壓縮數(shù)據(jù)流量，提高遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)效率。維修信息編碼過程本質(zhì)上是一種信源編碼過程，平臺(tái)針對(duì)維修交互信息的特點(diǎn)，利用模型基壓縮編碼理論對(duì)維修交互信息進(jìn)行高碼率壓縮，有效降低了信息碼率。模型基信源編碼的基本思想是在收發(fā)信者之間共享信源模型，將信源產(chǎn)生的原始消息建模為某種激勵(lì)信號(hào)作用于信源模型，并在通信時(shí)僅傳輸此激勵(lì)信號(hào)。理論研究表明，如果信源模型構(gòu)建合理，所提取的激勵(lì)信號(hào)碼率將遠(yuǎn)低于原始消息碼率。

本系統(tǒng)中將維修現(xiàn)場(chǎng)的裝備相關(guān)信息（包括裝備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、組成、連接關(guān)系、工作狀態(tài)、維修手冊(cè)、電路圖冊(cè)等）建模為信源模型，并從收發(fā)雙方圍繞裝備展開的故障描述和維修指導(dǎo)信息中提取激勵(lì)信號(hào)。具體設(shè)計(jì)中采用PDF文檔承載信源模型，收發(fā)雙方保存相同PDF文檔庫，利用PDF標(biāo)注技術(shù)描述激勵(lì)信號(hào)，使維修指導(dǎo)雙方可以高效準(zhǔn)確地描述各類維修信息，保證了低信道帶寬條件下的維修信息交互效率。

遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)平臺(tái)依托普遍安裝的陸地和船舶通信設(shè)施實(shí)現(xiàn)，由陸地部分和海上部分兩部分組成，如圖1所示。陸地部分和海上部分內(nèi)部都使用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)載體，二者之間經(jīng)短波無線網(wǎng)關(guān)控制器利用短波數(shù)字通信設(shè)備互連互通。

圖1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

廠家客戶端和船舶客戶端采用一致的架構(gòu)設(shè)計(jì)。維修專家可利用PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注技術(shù)、實(shí)時(shí)VoIP語音和文本聊天等形式展開遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)?；谝蕴W(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)VoIP語音通信和文本聊天技術(shù)已很成熟，本文不再贅述。本文重點(diǎn)分析客戶端中PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，這也是平臺(tái)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

2 PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

便攜式文檔格式（PDF）是由 Adobe公司于 1993年開發(fā)出的一種文件格式，能容納電子表單、網(wǎng)頁、視頻、音頻、3D虛擬現(xiàn)實(shí)等豐富內(nèi)容，便于集成各種媒體格式的維修資料。根據(jù)PDF文檔規(guī)范，一個(gè)PDF文檔（document）是由若干對(duì)象（object）組成的，這些對(duì)象共同組成了文檔的頁面（pages）。 PDF標(biāo)注（annotation，也稱附注）是一類特殊的PDF對(duì)象。要對(duì)PDF標(biāo)注進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，需要對(duì)PDF文檔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。目前，PDF文檔的解析工具有多種，主流的解析工具包括Apache公司推出的開源工具 PDFBox[5]、著名開源站點(diǎn)Sourceforge的iTEXT[6]以及 Adobe公司提供的 Acrobat SDK[7]。 前兩者是開源項(xiàng)目，但功能有限，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用Adobe SDK開發(fā)。

Acrobat SDK采用OLE對(duì)象（SDK中稱作IAC對(duì)象）實(shí)現(xiàn)Windows平臺(tái)下的PDF文檔顯控[8]。IAC對(duì)象分兩個(gè)層次，一是 Application View（AV）層，使用該層控制PDF文檔的顯示，該層中包括 AVDoc、AVPageView、AVMenu等對(duì)象，顯示的文檔形式與Acrobat reader顯示非常相似，用戶界面友好；二是 Portable Document（PD）層，使用該層提供的對(duì)象可操作PDF文檔中的內(nèi)容，例如增減頁面、操作PDF文檔中的標(biāo)注等。

需要指出的是，Acrobat SDK中PDF文檔在客戶程序中的顯示是以COM接口形式實(shí)現(xiàn)的，該接口提供了PDF文檔操作需要的基本功能，但是未提供鼠標(biāo)響應(yīng)事件。

實(shí)現(xiàn)PDF標(biāo)注動(dòng)態(tài)控制的過程須解決以下四個(gè)問題：（1）PDF文檔在用戶程序中的動(dòng)態(tài)加載；（2）為顯示的PDF文檔增加鼠標(biāo)響應(yīng)等用戶交互能力；（3）以所見即所得的方式添加PDF標(biāo)注；（4）實(shí)現(xiàn) PDF標(biāo)注文本的動(dòng)態(tài)修改功能。

3 PDF文檔動(dòng)態(tài)加載的實(shí)現(xiàn)

PDF文檔的加載流程如下：

//創(chuàng)建AVDoc對(duì)象，用于控制 PDF文檔的顯示

AVDoc=new AcroAVDocClass（）；

//打開PDF文檔，并將其關(guān)聯(lián)至 tabPage

AVDoc.OpenInWindowEx （fileFullName，tp1.Handle.ToInt32（），..）；

//創(chuàng)建PDDoc對(duì)象，用于解析和控制PDF文檔的內(nèi)容

PDDoc=（AcroPDDoc）AVDoc.GetPDDoc（）；

//獲取當(dāng)前文檔的AVPageView對(duì)象

AVPageView=（AcroAVPageView）AVDoc.GetAVPageView（）；

//導(dǎo)航至首頁

AVPageView.GoTo（0）；

本設(shè)計(jì)中采用多標(biāo)簽頁形式顯示不同PDF文檔，即每個(gè)TabPage上顯示一個(gè)PDF文件。PDF文檔顯示到客戶端TabPage上后，在TabPage的大小發(fā)生變化時(shí)，其上顯示的PDF文檔不會(huì)自動(dòng)同步變化，需要程序自行控制?？刂品椒ㄊ窃赥abPage所在的TabControl的Resize事件中重設(shè)PDF視窗大小和位置，具體方法是首先使用系統(tǒng)API函數(shù)GetWindow獲取PDF顯示視窗句柄，然后利用系統(tǒng)API函數(shù)SetWindowPos將該窗體調(diào)整至合適位置。

4 基于Windows鉤子技術(shù)的PDF文檔鼠標(biāo)響應(yīng)處理

在PDF標(biāo)注編輯過程中，采用鼠標(biāo)指定標(biāo)注所在位置的所見即所得的方法是最高效的方法，但Acrobat SDK未提供鼠標(biāo)響應(yīng)機(jī)制。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用Windows的全局鼠標(biāo)鉤子機(jī)制為PDF文檔視窗加入了鼠標(biāo)事件。

鉤子（Hook）是一種 Windows消息處理機(jī)制，用戶程序可在鉤子上掛載自定義函數(shù)監(jiān)視指定窗口的某種消息，被監(jiān)視的窗口可以是其他線程創(chuàng)建的[9]。當(dāng)指定消息發(fā)出時(shí)，在沒有到達(dá)目的窗口前，鉤子程序可以先捕獲該消息。圖2為鼠標(biāo)鉤子的實(shí)現(xiàn)流程圖。

圖2 鼠標(biāo)鉤子實(shí)現(xiàn)流程圖

設(shè)計(jì)MouseHook類掛載和卸載鼠標(biāo)鉤子，捕獲Windows標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)事件及觸發(fā)自定義的.Net事件OnMouse-Activity。PDF顯示窗口類訂閱.Net事件響應(yīng)鼠標(biāo)事件。在鉤子回調(diào)函數(shù)中，若滿足以下條件，則觸發(fā)鼠標(biāo)事件MouseHookProc：（1）顯示 PDF的窗體可見且處于最上層；（2）鼠標(biāo)位置在PDF窗體區(qū)域范圍內(nèi)。

鉤子的掛載和卸載采用Windows API函數(shù)SetWindowsHookEx和UnhookWindowsHookEx實(shí)現(xiàn)。

5 PDF標(biāo)注動(dòng)態(tài)操作中不同坐標(biāo)系間映射的實(shí)現(xiàn)

在對(duì)PDF標(biāo)注進(jìn)行添加、選中、修改過程中，需要解決屏幕坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系及設(shè)備坐標(biāo)系間的相互映射問題。

在Windows操作系統(tǒng)中，屏幕坐標(biāo)系以屏幕左上角為原點(diǎn)，向右、向下分別為橫縱兩個(gè)坐標(biāo)軸的正方向。鼠標(biāo)鉤子返回的鼠標(biāo)位置就是相對(duì)于此坐標(biāo)系的。而用戶坐標(biāo)系 （User Space） 和設(shè)備坐標(biāo)系 （Device Space）是PDF文檔操作中兩個(gè)重要概念。用戶坐標(biāo)系如圖3所示，缺省的用戶坐標(biāo)系為每次頁面剛剛加載時(shí)的坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于該頁媒體框（Media Box）的左下角。圖中的 Crop Box為PDF文件顯示的區(qū)域，而Media Box則包含了PDF文件四周的灰色邊框。缺省的用戶坐標(biāo)系的單位為1/72英寸。在Acrobat SDK中，PD層的各種對(duì)象均使用該坐標(biāo)系，這是因?yàn)樵撟鴺?biāo)系與實(shí)現(xiàn)無關(guān)。

圖3 用戶坐標(biāo)系

設(shè)備坐標(biāo)系是PDF文件顯示于屏幕上時(shí)使用的坐標(biāo)系，其單位為像素，坐標(biāo)軸取向與屏幕坐標(biāo)軸取向相同，如圖4所示。與用戶坐標(biāo)系不同，該坐標(biāo)系用于PDF文件的顯示。設(shè)備坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于Crop Box的左上角。眾所周知，隨著PDF文檔的縮放，該區(qū)域的位置在屏幕上是變化的。

作為PDF文檔的一種對(duì)象，PDF標(biāo)注的位置和大小采用的坐標(biāo)系為用戶坐標(biāo)系。由上可見，為了以一種所見即所得的方式添加標(biāo)注，即將標(biāo)注添加到鼠標(biāo)指示的PDF文檔位置上，必須將鼠標(biāo)位置坐標(biāo)（屏幕坐標(biāo)系）映射到用戶坐標(biāo)系上，但Acrobat SDK未提供該映射接口，而是提供了設(shè)備坐標(biāo)系到用戶坐標(biāo)系的接口。為了實(shí)現(xiàn)所見即所得的鼠標(biāo)操作，需執(zhí)行如下步驟：

圖4 設(shè)備坐標(biāo)系

（1）獲取鼠標(biāo)在屏幕上的位置Pm（屏幕坐標(biāo)系）；

（2）將 Pm映射到設(shè)備坐標(biāo)系Pd；

（3）將 Pd映射到用戶坐標(biāo)系 Pu。

Pm到Pd的映射可采用以下公式實(shí)現(xiàn)：

Pd.x=Pm.X-PdfWindowRect.Left+PdfWindowDeviceRect.Left

Pd.y=Pm.Y-PdfWindowRect.Top+PdfWindowDeviceRect.Top

其中，PdfWindowRect為 PDF顯示窗體中 Media Box的矩形區(qū)域（采用屏幕坐標(biāo)系），可直接根據(jù)Tabpage窗體客戶區(qū)矩形獲得；PdfWindowDeviceRect為PDF窗體Crop Box的矩形區(qū)域（采用用戶坐標(biāo)系），可利用 AVPageView.GetAperture（）函數(shù)獲得。Pd到 Pu的映射可直接調(diào)用 AVPageView.DevicePointToPage（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

6 PDF標(biāo)注文本的動(dòng)態(tài)修改

PDF標(biāo)注在添加到PDF頁面上時(shí)，可以指定其對(duì)應(yīng)的文本內(nèi)容。但與Acrobat Reader中不同，該內(nèi)容可以閱覽，但不支持現(xiàn)場(chǎng)編輯。雖然如此，Acrobat SDK預(yù)留了PDF標(biāo)注文本的設(shè)置接口，即AcroPDAnnot對(duì)象的Set-Contents和GetContents函數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用此接口解決該問題。用戶在指定文本框中輸入的文本內(nèi)容自動(dòng)添加到PDF文件上選中的標(biāo)注上。PDF文檔標(biāo)注本身并無選中與否的屬性。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為文檔標(biāo)注加入了選中屬性，方法是當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊PDF文檔時(shí)，自動(dòng)判定當(dāng)前位置是否有PDF標(biāo)注，如果有，則在程序中記錄該標(biāo)注作為當(dāng)前選中標(biāo)注，同時(shí)更改該標(biāo)注的顏色以突出顯示。

7 平臺(tái)應(yīng)用效果及分析

圖5為應(yīng)用基于PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注技術(shù)的遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)平臺(tái)的用戶界面示例。維修船員首先利用文本聊天和表單對(duì)故障進(jìn)行了描述。陸地工程師根據(jù)故障現(xiàn)象，打開設(shè)備圖冊(cè)（一個(gè)PDF文件），并在“電源穩(wěn)壓?jiǎn)卧獌?nèi)部結(jié)構(gòu)圖”頁面的電源輸出連接頭處添加標(biāo)注（圖中左上方標(biāo)注），指導(dǎo)船員檢查連接器處是否損壞。船員客戶端會(huì)自動(dòng)同步打開同一PDF文件，并同步添加相同標(biāo)注。船員檢查后發(fā)現(xiàn)電源板中一個(gè)電解電容器損壞，故障排查完成。

圖5 基于PDF動(dòng)態(tài)標(biāo)注的遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)平臺(tái)

由于在陸/船雙方保存了相同的PDF文件資料庫，上述過程中僅需傳遞PDF文件編號(hào)、標(biāo)注頁碼、標(biāo)注內(nèi)容等信息，需要交互的信息量大大壓縮，且故障位置、檢修位置、維修手冊(cè)翻閱等均以所見即所得的形式實(shí)現(xiàn)，提高了遠(yuǎn)程指導(dǎo)效率。由于PDF文件不僅可以存儲(chǔ)裝備使用說明書、技術(shù)說明書、檢修手冊(cè)、實(shí)物照片等靜態(tài)信息，還可以存儲(chǔ)視頻、虛擬實(shí)境等動(dòng)態(tài)對(duì)象，資源豐富，能夠保證遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)的順利開展。

利用該平臺(tái)進(jìn)行維修指導(dǎo)時(shí)，陸地和海上部分之間的交互信息中既包含了故障現(xiàn)象，又包含了故障檢測(cè)、分析和維修流程，因此可以作為設(shè)備維修案例庫使用，用于類似故障維修的參考或設(shè)備維修教學(xué)中的生動(dòng)素材。

8 結(jié)論

由于短波裝備在各類軍民用船只上安裝廣泛，且各種維修相關(guān)的紙質(zhì)或電子版資料、照片甚至視頻信息均可方便地集成于PDF文檔中，平臺(tái)的文檔資料資源可以得到充分保證，因此平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用前景廣闊。該方法亦可推廣應(yīng)用于帶寬受限的基于衛(wèi)星通信的遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)平臺(tái)，由于需要的通信帶寬窄，成本低，可作為一種低成本的常規(guī)遠(yuǎn)程維修指導(dǎo)手段。

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