仿真軟件中的動態(tài)圖像卡頓現(xiàn)象消除方法

李永成，李孟宇

(1.金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211156；2.阿德萊德大學(xué))

0　引言

仿真軟件除了要求仿真結(jié)果符合或接近實際的結(jié)果外，圖形界面顯示的流暢性也是一個重要的考量指標(biāo)。對于圖形顯示不流暢而出現(xiàn)的卡頓現(xiàn)象，文獻(xiàn)[1]提出了多層貼圖和增加編輯圖層的方案，刷新時只對有圖元變化的圖層進(jìn)行重繪，并給出了在QT環(huán)境下的編程實例，結(jié)果證明其方法是可行的。也有文獻(xiàn)[2]提出采用多線程技術(shù)解決方案，將系統(tǒng)任務(wù)分散到不同的線程來完成，有助于提高CPU的利用率，從而減小顯示滯后、卡頓甚至系統(tǒng)死機(jī)等現(xiàn)象。

1　卡頓現(xiàn)象原因分析

影響圖形顯示流暢性的因素可以分為兩種，第一種因素是圖形本身，對于需要處理復(fù)雜大批量圖元的繪圖系統(tǒng)，若其動態(tài)刷新效率不高，將難以滿足實時性要求，如一些視頻播放軟件或游戲軟件等，由于緩沖時延的關(guān)系，CPU占用較多，出現(xiàn)畫面斷續(xù)顯示的情況。第二種因素是運算過程，若需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運算，并且圖形是根據(jù)運算結(jié)果進(jìn)行動態(tài)顯示時，運算過程將引起卡頓現(xiàn)象。一個典型例子就是電機(jī)控制仿真，當(dāng)按下一個按鈕或者開關(guān)時,軟件需要進(jìn)行邏輯判斷，若線路比較復(fù)雜，涉及到大量的循環(huán)語句，CPU占用時間較長，這種情況下大部分時間畫面是流暢的，只是在仿真動作期間出現(xiàn)卡頓?？D現(xiàn)象不僅影響到使用者的視覺效果，還會造成使用者無法判斷是軟件本身的缺陷還是實際結(jié)果。

對第二種因素引起的卡頓問題，多層貼圖和增加編輯圖層的方案及多線程方案均不能解決，原因是這兩種方案并不能解決運算過程引起的線程阻塞問題。

基于上述分析，本文提出采用多進(jìn)程技術(shù)解決方案。

2　多進(jìn)程解決方案

多進(jìn)程中，每個進(jìn)程都有自己的地址空間，各進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的，各進(jìn)程不是共享地址空間[3-5]，在效率上雖然比多線程低，但由于不共享地址空間，所以不會像多線程那樣出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。

本方案將圖像或圖形分成兩類：靜態(tài)和動態(tài)。靜態(tài)圖與仿真時間無關(guān)，如按鈕、交流接觸器等，動態(tài)圖與仿真時間相關(guān)，時間上是連續(xù)變化的，如電機(jī)風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)圖形。方案中，主進(jìn)程顯示靜態(tài)圖并進(jìn)行數(shù)值或邏輯值運算，輔進(jìn)程根據(jù)主進(jìn)程的運算結(jié)果，實時顯示動態(tài)圖，動態(tài)圖疊加于靜態(tài)圖之上，相當(dāng)于兩個圖層，主進(jìn)程的運算時間不管多長，輔進(jìn)程照樣執(zhí)行，不會發(fā)生阻塞，因此可以有效減少卡頓現(xiàn)象。

3　編程實驗

基于上述方案，在VC++6.0下編寫電機(jī)控制仿真軟件實驗程序。

3.1　控制過程概述

在電機(jī)控制[6]仿真實驗中，將電路分為主電路與控制電路兩部分。當(dāng)按鈕狀態(tài)發(fā)生變化，如按下或釋放時，對電路的連接關(guān)系進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如按下啟動按鈕后，若交流接觸器線圈兩端分別連接到三相電源，則線圈得電，交流接觸器主觸頭閉合，然后再判斷電機(jī)的三相是否與電源三相連接，若三相均連接，則電機(jī)根據(jù)相序進(jìn)行正向或反向旋轉(zhuǎn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)分別有啟動、平穩(wěn)運行、制動三個階段。啟動階段，電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，制動階段，電機(jī)快速停止。電機(jī)運行狀態(tài)用風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)表示，電機(jī)控制示意圖如圖1所示。

圖1　電機(jī)控制示意圖

3.2　多進(jìn)程編程實驗

本實驗在主進(jìn)程motor.exe進(jìn)行元器件的放置、布局及連線等操作完成電氣原理圖繪制。元器件以靜態(tài)位圖或矢量圖顯示，觸頭的閉合與釋放動作是通過兩幅靜態(tài)位圖切換來完成。設(shè)置一個仿真菜單，仿真時根據(jù)按鈕和觸頭等元件的動作刷新位圖，同時啟動輔助進(jìn)程，輔進(jìn)程顯示風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。程序框圖如圖2。

圖2　多進(jìn)程電機(jī)仿真流程

3.2.1　輔進(jìn)程的開啟

電氣原理圖繪制完成后，在選擇仿真菜單進(jìn)行電氣仿真時開啟輔進(jìn)程fan.exe，代碼如下：

3.2.2　進(jìn)程間的通信[7-9]

進(jìn)程間的通信采用文件方式進(jìn)行，主進(jìn)程motor.exe輸出文本，文件中有電機(jī)位置、電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)記、圖像的縮放倍數(shù)、電機(jī)啟動及停止標(biāo)記、電機(jī)刪除等信息,當(dāng)這些信息發(fā)生變化時對文本進(jìn)行更新。在輔進(jìn)程fan.exe中通過定時器函數(shù)讀取文本信息，定時器設(shè)置為50ms。輔進(jìn)程的定時器始終開啟，這樣更新信息就能被實時讀取。

3.2.3　輔進(jìn)程設(shè)計原理

圖3　fan.exe設(shè)計流程

輔進(jìn)程fan.exe是一個基于對話框[10]的程序，在fan.exe進(jìn)程中，首先隱藏主窗體，然后在函數(shù)InitInstance中創(chuàng)建一個不含菜單和任務(wù)欄的透明窗體，并設(shè)置為最高窗口，使其始終在主窗口之上，風(fēng)葉就繪制在這個窗體上。定時器函數(shù)除讀取主進(jìn)程保存的通信文本外，還計算電機(jī)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的速度及加速度，透明窗體在電機(jī)相應(yīng)位置上顯示。fan.exe的設(shè)計流程框圖見圖3。

需要說明的是，由于兩個進(jìn)程中的圖形坐標(biāo)系不同，要使用ClientToScreen函數(shù)將電機(jī)客戶坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，否則風(fēng)葉顯示的位置將不正確。

3.2.4　輔進(jìn)程的退出

輔進(jìn)程的存在時間為輔進(jìn)程開啟到主進(jìn)程結(jié)束，主進(jìn)程關(guān)閉時，向前述（3.2.3）通信文本輸出程序關(guān)閉標(biāo)志，輔進(jìn)程讀到該標(biāo)志后，關(guān)閉定時器并退出。

主進(jìn)程存在期間，當(dāng)仿真停止或電機(jī)刪除時，向通信文本輸出電機(jī)刪除標(biāo)志，此時輔進(jìn)程不應(yīng)該退出，僅摧毀顯示電機(jī)風(fēng)葉的透明窗體。

3.2.5　卡頓測試

在fan.exe中加入卡頓測試代碼，代碼中將風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)角度（alpha）記錄在一個文件中。測試時分別在啟動、平穩(wěn)運行、制動三個階段，按下按鈕或其他活動元件（指含觸頭動作的手動元件），連接關(guān)系將重新判斷。在Matlab下根據(jù)記錄文本的數(shù)據(jù)繪制旋轉(zhuǎn)角度增量（Δalpha）曲線（圖4）。圖中的“1、2、3、4”標(biāo)記分別表示電機(jī)啟動、平穩(wěn)運行、制動、停止四個階段。

圖4　多進(jìn)程風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)角度增量曲線

4　實驗結(jié)果分析

圖4的啟動階段，旋轉(zhuǎn)角度增量呈線性增加，表明風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)速度逐步加快。平穩(wěn)運行階段的角度增量為0.8，表明風(fēng)葉勻速旋轉(zhuǎn)。制動階段的增量急劇減小，表明電機(jī)快速制動。標(biāo)記4出現(xiàn)的波動是由于電機(jī)制動時引起的抖動現(xiàn)象。

在圖4的各階段中，按下控制按鈕后，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度增量沒出現(xiàn)0的情況，說明沒有出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。在整個運行過程中，視覺上感覺不到圖像卡頓，畫面流暢。

5　結(jié)論

針對多線程或單進(jìn)程多層貼圖方法不能有效消除數(shù)據(jù)運算引起的卡頓現(xiàn)象問題，本文提出了多進(jìn)程解決方案，方案中將運算過程放于主進(jìn)程，動態(tài)圖像的顯示過程放于輔進(jìn)程，并以電機(jī)控制仿真實驗對方案進(jìn)行了驗證。實驗表明，多進(jìn)程方法對解決該問題是有效的。

研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主進(jìn)程因意外終止時，輔進(jìn)程不能同步結(jié)束，需要利用資源管理器來中止，這個問題有待今后研究和解決。

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