嵌入式圖形支持庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探討

摘 要 在科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、軍事等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在此背景下，如何增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面功能，提升嵌入式系統(tǒng)人機(jī)互動(dòng)水平，成為相關(guān)工作人員關(guān)注的重點(diǎn)問題?；诖耍疚慕Y(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，提出一種支持2D/3D圖形處理且穩(wěn)定性相對(duì)較高的嵌入式圖形支持庫，以提升嵌入式圖形支持庫性能，為其應(yīng)用與推廣提供有意指導(dǎo)，滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞 嵌入式 圖形支持庫 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3D模型

0引言

在信息化、大數(shù)據(jù)時(shí)代，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子技術(shù)等為依托的具有人機(jī)互動(dòng)性的系統(tǒng)成為人們?nèi)粘Ｉ睢W(xué)習(xí)、工作中的重要組成部分。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，圖形用戶界面能夠以形象、直觀、具體表達(dá)方式傳遞信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的有效互動(dòng)。隨著系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用要求的不斷提高，3D技術(shù)之間應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中，支持3D建模成為嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面設(shè)計(jì)的主流發(fā)展趨勢(shì)。

1嵌入式圖形支持庫設(shè)計(jì)目的分析

在對(duì)嵌入式圖形支持庫進(jìn)行設(shè)計(jì)分析時(shí)，需對(duì)其設(shè)計(jì)目的具有明確認(rèn)識(shí)，以提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、合理性。就嵌入式圖形支持庫而言，其設(shè)計(jì)目的主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)實(shí)需求。嵌入式系統(tǒng)（Embedded system）是基于計(jì)算機(jī)上技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展下，形成一種能夠根據(jù)用戶需求，包括功能需求、可靠性需求、安全性需求、環(huán)境保護(hù)需求，進(jìn)行軟硬件靈活裁剪的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是為特定應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，具備專用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性佳、系統(tǒng)可裁剪、體量小、功耗低、開放能力強(qiáng)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)等特征。因此，在信息化、大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，基于“信息化建設(shè)”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”等發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用范圍大幅度提升，并對(duì)通用圖形用戶界面系統(tǒng)提出了更高要求。傳統(tǒng)圖形用戶界面系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求，迫切需要為嵌入式系統(tǒng)提供完整、高效的輕量級(jí)圖形用戶界面系統(tǒng)支持。

（2）圖形支持庫設(shè)計(jì)必然趨勢(shì)。圖形用戶界面系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠通過圖形、圖像、圖標(biāo)、控件等滿足嵌入式系統(tǒng)人機(jī)交互需求，提升嵌入式系統(tǒng)操作性、體驗(yàn)性。目前，常規(guī)嵌入式系統(tǒng)圖形用戶界面受軟硬件資源限制，多支持2D模型。例如，miniGUI是較為成熟的嵌入式系統(tǒng)圖形支持系統(tǒng)，雖然具有較為完善的圖形處理功能，但無法支持3D模型，且系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用過程中需通過miniGUI控制。而就系統(tǒng)人機(jī)互動(dòng)發(fā)展情況來看，3D應(yīng)用將成為主流趨勢(shì)，使用戶能夠從多維角度觀看效果。

2嵌入式圖形支持庫設(shè)計(jì)思路分析

2.1 明確常用嵌入式圖形支持庫特征與缺陷

對(duì)當(dāng)前較為常用的幾種嵌入式圖形支持庫（如Mini GUI、Delta_GUI、Qt/Embedded等）進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)常用嵌入式圖形支持庫主要由消息管理機(jī)制、應(yīng)用接口層、窗口核心層、輸入輸出層等構(gòu)成，如圖1所示。

該體系結(jié)構(gòu)中，消息管理機(jī)制是圖形用戶界面系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部信息有效傳遞與交換的核心所在，側(cè)重處理系統(tǒng)各事件、各消息的交互操作;系統(tǒng)應(yīng)用接口層主要為應(yīng)用程序調(diào)用提供接口，窗口核心層主要應(yīng)用接口層調(diào)用提供接口，輸入輸出層實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件等有效封裝;系統(tǒng)在設(shè)備管理技術(shù)、屏幕管理技術(shù)、資源管理技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用下，滿足系統(tǒng)圖形界面組織管理、資源調(diào)配需求。通常情況下，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程更注重穩(wěn)定性、時(shí)效性的提升，強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)初始化接口中完成入口封裝。因此，底層驅(qū)動(dòng)調(diào)用多在Init（）中進(jìn)行。這在一定程度上降低了系統(tǒng)代碼設(shè)計(jì)靈活性，當(dāng)系統(tǒng)用戶缺乏對(duì)圖形用戶界面系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)的了解時(shí)，易出現(xiàn)資源浪費(fèi)、設(shè)計(jì)效率低下、操作錯(cuò)誤等問題。

2.2 新嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本功能需求

根據(jù)嵌入式圖形支持庫設(shè)計(jì)發(fā)展需求，針對(duì)常規(guī)嵌入式圖形用戶界面支持系統(tǒng)存在的缺陷，提出一種新型圖形接口模型。該圖形接口模型基本功能設(shè)計(jì)需求如下：（1）系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)效性強(qiáng);（2）支持2D模型開發(fā)的同時(shí)，支持3D模型構(gòu)建;（3）符合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用要求。

2.3 新嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本功能需求，提出如下設(shè)計(jì)思路：（1）依托3D技術(shù)配置3D圖形繪制模塊，具備三維幾何代數(shù)操作、場(chǎng)景繪制與顯示、物體碰撞檢測(cè)、光線處理、三維圖形或三維場(chǎng)景渲染、行為虛擬等功能;（2）利用組件庫進(jìn)行系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，使嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)無需通過制定入口實(shí)現(xiàn)操作;（3）改變常規(guī)嵌入式圖形支持庫結(jié)構(gòu)，去除消息管理機(jī)制，以事件碼形式完成系統(tǒng)設(shè)計(jì);（4）創(chuàng)新圖形支持庫資源管理模式，將常規(guī)嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備配置到設(shè)備抽象層，降低系統(tǒng)模塊連接復(fù)雜性，增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)性、通用性;（5）更具組件功能差異，構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同層次獨(dú)立操作、協(xié)同操作。

2.4 新嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)（如圖3所示）主要由以下幾部分構(gòu)成：

（1）設(shè)備抽象板塊：設(shè)備抽象板塊側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的硬件進(jìn)行管控，能夠根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況，將信息傳遞給上層結(jié)構(gòu)。在設(shè)備抽象板塊設(shè)計(jì)過程中，以組件化設(shè)計(jì)理念為支持，科學(xué)劃分組件（包括硬件接口組件、圖形處理組件等），并利用專用設(shè)備抽象組件將圖形支持系統(tǒng)下層設(shè)備接口封裝，改變常用嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)圖形設(shè)備接口設(shè)計(jì)形式，以提高系統(tǒng)集成性、訪問時(shí)效性。

（2）事件控制板塊：事件控制板塊側(cè)重于系統(tǒng)流程控制，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的根本保障。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，時(shí)間控制板塊能夠模擬消息管控機(jī)制操作過程，對(duì)嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)內(nèi)部事件與外部事件進(jìn)行管理與控制，滿足事件處理要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）2D/3D繪制板塊：多數(shù)圖形支持庫在實(shí)踐應(yīng)用過程中需要依靠自身平臺(tái)進(jìn)行控制，并在消息管理機(jī)制應(yīng)用下完成信息管理與交互。因此，在圖形支持庫改造過程中，新控件加入存在一定限制。本文所設(shè)計(jì)的嵌入式圖形支持庫改變了常用圖形數(shù)據(jù)庫控制方式，將2D圖形處理交給函數(shù)庫，使嵌入式圖形支持庫能夠同時(shí)提供2D模型設(shè)備抽象接口、第三方設(shè)備抽象接口。與此同時(shí)，新嵌入式圖形支持庫將 3D 流水線設(shè)計(jì)成單個(gè)組件，為系統(tǒng)提供專門的數(shù)據(jù)引擎，在支持3D建模的同時(shí)，提高嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)運(yùn)行速度，增強(qiáng)系統(tǒng)操作時(shí)效性、高效性。

3嵌入式圖形支持庫核心模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)分析

嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)是一個(gè)綜合性系統(tǒng)，在研發(fā)過程中需對(duì)其核心模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)具有明確認(rèn)識(shí)。

3.1設(shè)備抽象層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

設(shè)備抽象層是嵌入式圖形支持庫系統(tǒng)中重要組成部分，位于系統(tǒng)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)中間位置，能夠通過系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)事件控制層、2D/3D繪制層的信息交互，滿足系統(tǒng)資源管理、調(diào)度需求。

4結(jié)論

總而言之，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為各領(lǐng)域系統(tǒng)研發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，基于嵌入式系統(tǒng)的迅速發(fā)展，以及各領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)性能、功能需求的不斷提升，加大支持2D、3D建模嵌入式圖形用戶界面的支持庫研發(fā)勢(shì)在必行。本文依托已有經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)圖形支持庫特征，提出一種具有3D圖形處理功能的層次結(jié)構(gòu)，并對(duì)其核心模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以推動(dòng)嵌入式圖形支持庫優(yōu)化發(fā)展，滿足嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用需求。

作者簡(jiǎn)介：吳文慶（1973-），男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，碩士，從事軟件工程技術(shù)研究。

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