矢量圖算法生成系統(tǒng)的研究

鄭澤濤，余健

（韓山師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，潮州521041）

0 引言

自十八世紀(jì)中期，瓦特改良了蒸汽機(jī)之后，由一系列技術(shù)革命引起了從手工勞動(dòng)向動(dòng)力機(jī)器生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的重大飛躍，這就是人們常說的第一次工業(yè)革命。自工業(yè)革命以來，機(jī)器所帶來的生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人工。隨著機(jī)器的產(chǎn)生，又出現(xiàn)了機(jī)器人。機(jī)器人脫離了空間的限制，可以自由移動(dòng)，前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)都是可以實(shí)現(xiàn)的。光可以移動(dòng)，還是不夠的，人們又給機(jī)器人加上了諸多感應(yīng)器，充當(dāng)機(jī)器人的眼睛、耳朵和手等[1]。

機(jī)器人的產(chǎn)生，也帶來了機(jī)器人編程，可是受到實(shí)物的限制，不能廣泛傳播，因?yàn)椴豢赡茏屆恳粋€(gè)初學(xué)者都去購(gòu)買機(jī)器人回來測(cè)試，畢竟這東西還是蠻貴的。此時(shí)，模擬機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境的程序的出現(xiàn)就剛好解決了這個(gè)問題，以RobotBASIC 為例，使用它可以很方便地在電腦上做各種關(guān)于機(jī)器人的測(cè)試。但是，僅僅依靠RobotBASIC 也無法解決一些問題，如矢量圖畫法的數(shù)據(jù)填充問題，此時(shí)開發(fā)工具的配合使用，就體現(xiàn)出它的強(qiáng)大之處，很多依靠RobotBASIC 自身無法解決的問題，可以通過配合其他開發(fā)工具，如VS2010 解決[2]。

本文主要是研究并開發(fā)一個(gè)矢量圖算法生成器，利用winForm 的可視化界面,為系統(tǒng)和用戶提供一個(gè)良好的交互環(huán)境，用戶只需要修改對(duì)應(yīng)的數(shù)值，就可以自動(dòng)一鍵生成對(duì)應(yīng)的算法代碼，即解決了“矢量圖畫法的數(shù)據(jù)填充問題”，又為用戶保留了創(chuàng)新的空間[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求

通過“矢量圖畫法”完成以下任務(wù)：即通過機(jī)器人的移動(dòng)、落筆、收筆，畫出自己的名字或者其他字符[4]。

系統(tǒng)需要解決以下問題：

（1）機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)矢量圖畫法

（2）如何把算法轉(zhuǎn)化為可視化參數(shù)

（3）如何把可視化參數(shù)轉(zhuǎn)化為算法代碼

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)體系架構(gòu)圖和系統(tǒng)流程圖分別如圖1 和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

1.3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

矢量圖原理其實(shí)就是利用二維數(shù)組存儲(chǔ)像素點(diǎn)，通過0 不畫1 畫的方式來畫。而在RobotBASIC 中，只有一維數(shù)組，即二維數(shù)據(jù)存在一維數(shù)組中，機(jī)器人走到每行的末尾時(shí)，由于下個(gè)點(diǎn)是下一行的開始，所以機(jī)器人必須從尾部重新跑回去起始點(diǎn)[5]，如圖3 所示。

圖3 矢量圖行走邏輯

該模塊的主要功能是，把難以理解的算法參數(shù)，轉(zhuǎn)化為用戶肉養(yǎng)可見的可視化參數(shù)，用戶可以直接通過修改參數(shù)，達(dá)到修改算法代碼的目的[6]。下面介紹以下常用的參數(shù)名：

（1）顯示文字：該參數(shù)輸入的是要顯示的字符，當(dāng)字符數(shù)為0 時(shí)無法生成代碼

（2）字體種類：該參數(shù)讀取了系統(tǒng)本地所有的字體種類供用戶選擇

（3）文字坐標(biāo)：該參數(shù)設(shè)置文字顯示的(x,y)位置

（4）文字字體大?。涸搮?shù)設(shè)置文字的字體大小

（5）旋轉(zhuǎn)點(diǎn)：該參數(shù)設(shè)置的是顯示界面的旋轉(zhuǎn)中心，初始坐標(biāo)為(400,300)

（6）旋轉(zhuǎn)角度：該參數(shù)設(shè)置的顯示界面的旋轉(zhuǎn)角度

（7）機(jī)器人半徑：該參數(shù)用于設(shè)置機(jī)器人的半徑，取值區(qū)間為[1,50]，由于在RobotBASIC 中，機(jī)器人移動(dòng)碰到邊緣時(shí)會(huì)出錯(cuò)，該參數(shù)是為了保證代碼不會(huì)運(yùn)行出錯(cuò)

（8）僅顯示截取框內(nèi)容（勾選）：該參數(shù)用于顯示和隱藏?zé)o效區(qū)域

（9）生成代碼（按鈕）：點(diǎn)擊可以生成代碼

其中雙框截取同步模塊主要是為了給用戶提示無效區(qū)域。由于機(jī)器人碰到邊緣時(shí)會(huì)出錯(cuò)，所以機(jī)器人的畫圖區(qū)域受其半徑影響，也就是在主界面邊緣往里半徑以內(nèi)的區(qū)域都是無法畫圖了。用戶可以直觀地看到無效區(qū)域中的內(nèi)容和實(shí)際上可以畫出來的內(nèi)容，如圖4 所示。

圖4 顯示和隱藏?zé)o效區(qū)域內(nèi)容

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)界面

如圖5 所示，這是系統(tǒng)的可視化界面，用戶可以通過該界面，修改顯示文字、字體種類、文字坐標(biāo)、文字字體大小、旋轉(zhuǎn)點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)角度、機(jī)器人半徑，還可設(shè)置是否顯示無效區(qū)域的內(nèi)容，最后確定后，通過點(diǎn)擊[生成代碼]按鈕，可以生成代碼。

圖5 矢量圖算法生成器界面

2.2 運(yùn)行效果

通過圖6 的對(duì)比可以看出，骨架畫法顯然比不上矢量圖畫法，而且每次畫新的字符時(shí)，都需要重新編寫行走代碼，復(fù)用性極差；而矢量圖畫法畫出的結(jié)果更美觀，且復(fù)用性好。

圖6 骨架畫法和矢量圖畫法對(duì)比

如圖7，將字體的種類修改為“華為隸書”后，再修改旋轉(zhuǎn)參數(shù)，使字符旋轉(zhuǎn)一定的角度后，個(gè)性的字符圖產(chǎn)生了。

圖7 顯示界面

由于RobotBASIC 中機(jī)器人觸碰到邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，所以機(jī)器人的半徑就是臨界值，使得界面中有一部分無法畫到，被稱為無效區(qū)域。無效區(qū)域內(nèi)的內(nèi)容在展示時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)的，如圖8 所示。

RobotBASIC 界面是800×600 像素，機(jī)器人半徑r，則所需存儲(chǔ)的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)量為：

S=(800-2*r)*(600-2*r)（0

可以解得：350000<=S<480000。

這是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)量，如圖9 所示，“Robot”字符所產(chǎn)生的代碼長(zhǎng)度約為842KB。

圖8 無效區(qū)域的顯示

圖9 生成代碼字節(jié)長(zhǎng)度

生成的算法代碼在RobotBASIC 中運(yùn)行算法，開始運(yùn)行時(shí)間是：21:41:47，結(jié)束運(yùn)行時(shí)間是：22:03:23，總共花費(fèi)時(shí)間是：22:03:23-21:41:47=0:21:36，花費(fèi)時(shí)間超過21 分鐘，如圖10 所示。

圖10 原算法運(yùn)行

前面對(duì)于數(shù)據(jù)的填充，是把除無效區(qū)域外的所有數(shù)據(jù)全部計(jì)入，但是這有一個(gè)問題，以圖11 為例，有效數(shù)據(jù)其實(shí)只有中間“Robot”這一部分的數(shù)據(jù)，周圍的空白區(qū)域其實(shí)機(jī)器人根本不需要行走到，機(jī)器人走過是在浪費(fèi)時(shí)間，但是也被填入到數(shù)據(jù)中。通過更新填充算法，先計(jì)算出有效數(shù)據(jù)像素點(diǎn)所占的矩形范圍，從而分別獲取橫、縱坐標(biāo)的最大值和最小值，如圖11 所示，縮小了填充數(shù)據(jù)的范圍，大大減少了機(jī)器人完成任務(wù)的時(shí)間。

3 矢量圖行走算法

矢量圖原理其實(shí)就是利用二維數(shù)組存儲(chǔ)像素點(diǎn)，通過0 不畫1 畫的方式來畫。而在RobotBASIC 中，只有一維數(shù)組，即二維數(shù)據(jù)存在一維數(shù)組中，機(jī)器人走到每行的末尾時(shí)，由于下個(gè)點(diǎn)是下一行的開始，所以機(jī)器人必須從尾部重新跑回去起始點(diǎn)。但是，這樣每次走回每行的起始點(diǎn)，這部分時(shí)間是浪費(fèi)的，所以我們采用新的行走邏輯算法。利用一、二維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，用兩個(gè)參數(shù)i 和j 分別表示當(dāng)前的點(diǎn)是第(i+1)行，第(j+1)列，這里+1 是因?yàn)閿?shù)組下標(biāo)從0 開始計(jì)算。在一個(gè)列數(shù)為n 的矩陣中，一維數(shù)組表示形式就是c[i*n+j],這是等價(jià)于二維數(shù)組的c[i][j]的。然后在機(jī)器人走到一行的末尾時(shí)，行數(shù)+1，列數(shù)不變，讓機(jī)器人轉(zhuǎn)個(gè)180°，從一行的末尾往前走，這樣就可以節(jié)省掉機(jī)器人跑回行首的時(shí)間了，如圖12 所示，減少了幾乎一半的行走時(shí)間。

圖11 尋找有效矩形區(qū)域

圖12 新舊行走方式對(duì)比

從圖13 中可以很明顯看出差別，原算法代碼字節(jié)長(zhǎng)度是842KB，新算法代碼字節(jié)長(zhǎng)度是29KB，減少了約813KB，減少了96.556%的字節(jié)長(zhǎng)度，新算法的字節(jié)長(zhǎng)度僅是原算法字節(jié)長(zhǎng)度的3.44%，大大縮小了數(shù)據(jù)填充量，提高了機(jī)器人的運(yùn)行效率。

圖13 新舊算法字節(jié)長(zhǎng)度對(duì)比

如圖14 所示，系統(tǒng)維護(hù)更新后新算法的運(yùn)行時(shí)間僅是39s，而原算法運(yùn)行時(shí)間是21 分鐘36 秒，合計(jì)1296 秒，新算法所用時(shí)間僅是原算法所用時(shí)間的3.01%，減少了約96.99%的時(shí)間消耗。

圖14 新算法運(yùn)行

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要是通過解決“矢量圖畫法的數(shù)據(jù)填充問題”，研究開發(fā)工具聯(lián)合使用的作用。從文中可以很明顯的看出，單單靠RobotBASIC 根本無法完成“矢量圖畫法”這種難度極大的任務(wù)，然而在Visual Studio 參與聯(lián)合開發(fā)之后，問題變得輕松了許多。并且在一開始設(shè)計(jì)時(shí)，由于沒有考慮到“數(shù)據(jù)量大”和“行走方式的缺陷”，導(dǎo)致算法代碼字節(jié)長(zhǎng)度過長(zhǎng)和運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，不過通過不懈的努力和研究，系統(tǒng)還是得到了完善，成功解決了該文研究的問題。

系統(tǒng)目前處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是同時(shí)也存在一個(gè)問題，那就是如果填充數(shù)據(jù)過于分散時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)填充量和機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間依然會(huì)很長(zhǎng)，這個(gè)問題暫時(shí)還沒有得到解決，在后續(xù)更新維護(hù)中會(huì)逐步解決。