李成剛，馮 靜，凌 玲

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

交互式繪圖系統(tǒng)是指能為用戶提供交互式操作支持，使用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤和手寫筆等在圖形終端上輸入數(shù)據(jù)和圖形信息，進(jìn)行繪圖，并對生成的圖形進(jìn)行修改、編輯等操作，設(shè)計(jì)完成后，保存設(shè)計(jì)結(jié)果，最終在顯示屏或其他外部設(shè)備上進(jìn)行圖形輸出的一整套設(shè)計(jì)及其應(yīng)用軟件，在CAD、辦公自動化和其他領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有繪圖軟件繪制復(fù)雜圖形時(shí)會占用大量CPU，消耗大量內(nèi)存，從而導(dǎo)致界面失去響應(yīng)。WPF是一個(gè)新的編程模型，與傳統(tǒng)GDI/GDI+繪圖模型相比，WPF將CPU和GPU分開來利用，由于GPU的浮點(diǎn)計(jì)算能力遠(yuǎn)高于CPU,從而保證了大量計(jì)算的優(yōu)先性，同時(shí)也能最小化CPU使用率。WPF以DirectX作為核心繪圖函數(shù)，DirectX繪圖速度高于GDI/GDI+，能產(chǎn)生更好的視覺效果。對于需要大量浮點(diǎn)運(yùn)算的圖形圖像來說，WPF是一個(gè)很好的選擇。本文介紹了在VS2008環(huán)境下，以WPF為平臺，用C#編寫開發(fā)的一個(gè)交互式圖形系統(tǒng)。

1 交互式繪圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

基于WPF的交互式繪圖系統(tǒng)主要由輸入單元、基本繪圖單元、圖元編輯單元、圖元修改單元、屬性設(shè)置單元、輸出單元組成。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

圖1 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

(1)基本圖形元素（點(diǎn)、直線、折線、圓形、圓弧、橢圓、矩形、多邊形、B樣條、閉合B樣條）以及文本的動態(tài)繪制與生成功能；

(2)編輯修改功能：對象的拾取、刪除、復(fù)制、鏡像、陣列、移動、旋轉(zhuǎn)、填充、裁剪，平移縮放視圖，測量封閉區(qū)域的面積；

(3)屬性的設(shè)置：包括對圖元的圖層、線型、線寬、顏色；系統(tǒng)的背景色，文字的高度等屬性進(jìn)行設(shè)置；

(4)圖形數(shù)據(jù)文件的讀取、保存、打印等操作。

1.2 開發(fā)平臺的選擇

目前Windows環(huán)境下的圖形程序接口主要有GDI/GDI+、Direct3D、OpenGL、WPF 四種。 GDI/GDI+通常是一個(gè)靜態(tài)的顯示系統(tǒng)，只有有限的動畫支持，此外GDI/GDI+只支持二維圖形開發(fā)。OpenGL是一個(gè)開放的三維圖形軟件包，由于它是圖形的底層圖形庫，沒有提供幾何實(shí)體圖元，不能直接用以描述場景。Direct3D以COM接口形式提供，所以較為復(fù)雜，穩(wěn)定性差。WPF是微軟新一代圖形系統(tǒng)，運(yùn)行在.NET Framework 3.0架構(gòu)下。WPF的核心是一個(gè)與分辨率無關(guān)并且基于向量的呈現(xiàn)引擎，旨在利用現(xiàn)代圖形硬件的優(yōu)勢來最小化 CPU使用率。在WPF中，底層的圖形技術(shù)不再是GDI/GDI+，而是DirectX。

WPF在圖形與界面開發(fā)方面,主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢[1]：

(1)豐富的繪圖模型與文本模型。不同于以往的逐個(gè)像素的繪制，在WPF中可以直接處理基本形狀、文本框以及其他UI元素。

(2)獨(dú)立的圖形解析。WPF圖形系統(tǒng)的基本度量單位是與設(shè)備無關(guān)的像素，它等于1英寸的 1/96。不管實(shí)際的屏幕分辨率是多少，每個(gè)與設(shè)備無關(guān)的像素都會自動縮放，以符合呈現(xiàn)該像素的系統(tǒng)上的每英寸點(diǎn)數(shù)(dpi)設(shè)置。

2 交互式繪圖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)的功能界面

交互式繪圖系統(tǒng)的界面窗口主要由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、繪圖區(qū)、工具箱、消息框和狀態(tài)欄組成，如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1 系統(tǒng)的窗口框架

WPF包含兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的編程接口，通常使用可擴(kuò)展應(yīng)用程序標(biāo)記語言 (XAML)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的外觀，而使用托管編程語言(代碼隱藏)實(shí)現(xiàn)其行為。WPF中的 Menu控件、ToolBar控件、StatusBar控件、GroupBox控件、TextBox控件以及Canvas面板[2]分別構(gòu)成了應(yīng)用程序主窗口頂端的菜單欄、工具欄、底端的狀態(tài)欄與客戶區(qū)左邊的工具箱、下方的消息框以及繪圖區(qū)。系統(tǒng)使用鼠標(biāo)和鍵盤輸入來繪制圖形，Canvas面板是用于創(chuàng)建復(fù)雜繪圖的特別理想的選擇，因?yàn)樗С謱ζ渥訉ο蟮慕^對定位?？蚣艽翱诘倪壿嫎浜唸D如圖3所示。

圖3 框架窗口的邏輯樹

2.2.2 圖形的繪制與編輯功能

WPF提供了Shapes庫來顯示矢量圖，WPF中的基本圖形類主要位于System.Windows.Shapes命名空間。Shape類是所有圖形類的基類,它定義了Stroke、StrokeThickness、Fill等通用屬性，用來繪制形狀輪廓的顏色、粗細(xì)以及形狀的內(nèi)部填充。具體的圖形元素類（Line、Path、Polygon、Polyline、Ellipse、Rectangle）都由其派生而來。2D相關(guān)類型的層次結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 2D圖形類的層次結(jié)構(gòu)

Canvas是頂級布局控件，Canvas面板類似傳統(tǒng)的圖形環(huán)境，利用坐標(biāo)位置指定對象的擺放地點(diǎn)。Canvas的左上角為原點(diǎn)，X坐標(biāo)向右，Y坐標(biāo)向下。而一般的圖形系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定在繪圖區(qū)的左下角，X坐標(biāo)水平向右，Y坐標(biāo)豎直向上，因此可利用WPF的Transform類，通過設(shè)定Canvas的RenderTransform來實(shí)現(xiàn)[3]。為了使圖元大小根據(jù)窗口的大小進(jìn)行縮放，可以將Canvas放在Viewbox內(nèi)。以下是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換的XAML片段：

圖形元素的編輯與修改功能主要依靠計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理以及Windows表現(xiàn)層基礎(chǔ)類庫(WPF)來實(shí)現(xiàn)。WPF的System.Printing命名空間下的PrintDialog類主要用來實(shí)現(xiàn)打印單頁或多頁文件的功能，PrintDialog類顯示一個(gè)打印對話框，與用戶交互操作來完成打印功能。

2.2.3 曲線曲面造型功能

曲線曲面造型[4]是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(CAGD)的核心，也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。三次B樣條曲線是曲線學(xué)中一個(gè)重要部分，它不但保留了Bezier曲線的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了其不具備局部性質(zhì)的缺點(diǎn)，能更好地表示與設(shè)計(jì)自由型曲線曲面，通過幾個(gè)控制點(diǎn)的移動能形成不同的曲線。系統(tǒng)提供了繪制B樣條曲線與閉合B樣條曲線的功能。繪制圖形如圖5所示。

動態(tài)生成B樣條曲線的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)設(shè)定一個(gè)點(diǎn)集合 List＜Point>mousepts保存鼠標(biāo)左鍵所按下的序列點(diǎn);

(2)在鼠標(biāo)移動過程中把鼠標(biāo)的當(dāng)前位置作為B樣條曲線的臨時(shí)終點(diǎn)，加入點(diǎn)集合mousepts;

(3)由點(diǎn)集合mousepts中的這些序列點(diǎn)反求B樣條曲線的控制頂點(diǎn)[5];

(4)利用求出的B樣條曲線的控制頂點(diǎn)得到B樣條曲線上的序列離散點(diǎn);

(5)將序列離散點(diǎn)依次加入多段線Polyline的Points集合，從而生成B樣條曲線。

3 圖形數(shù)據(jù)文件的存儲與讀取

系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)文件的輸出包含JPG和DXF兩種格式。由于AutoCAD在全世界應(yīng)用非常廣泛，它的數(shù)據(jù)文件格式DXF已經(jīng)成為事實(shí)上的一種標(biāo)準(zhǔn)，因此系統(tǒng)提供了自定義的圖形數(shù)據(jù)文件格式與DXF格式相互轉(zhuǎn)換的功能。DXF文件本質(zhì)上由代碼及關(guān)聯(lián)值對組成。代碼（通常稱為組碼）表明其后的值的類型。使用這些組碼和值對，可以將 DXF文件組織到由記錄組成的區(qū)域中，這些記錄由組碼和數(shù)據(jù)項(xiàng)目組成。在 DXF文件中，每個(gè)組碼和值都各占一行。DXF文件完整的結(jié)構(gòu)[6]如圖6所示。

程序中設(shè)計(jì)了兩個(gè)基類ReadDXF和WriteDXF來分別讀取和寫入DXF文件。ReadDXF讀取 DXF文件，并且從給定段的給定對象中提取特定代碼和值。與讀取DXF文件相比，寫入DXF文件更困難一些，因?yàn)楸仨毐３謭D形的一致性，這樣 AutoCAD才能找到可接受的文件。AutoCAD允許省略 DXF文件中的很多項(xiàng)目，仍然能夠獲得可用的圖形，但文件結(jié)尾處必須存在 EOF項(xiàng)目。為了簡便，WriteDXF省略了整個(gè) HEADER段、TABLES段和BLOCKS段，只包含 ENTITIES段。

圖6 DXF文件的完整層次結(jié)構(gòu)

隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入、圖形輸出設(shè)備的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)也有了很大的發(fā)展[7]。本文詳細(xì)介紹了基于WPF的交互式繪圖系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì)，并探討了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其他圖形軟件具有的基本操作，并提供了自定義的圖形數(shù)據(jù)文件格式與DXF格式相互轉(zhuǎn)換的功能，操作方便，靈活，具有可擴(kuò)展性，經(jīng)過改進(jìn)還可以成為適用于其它行業(yè)的通用的圖形工具軟件。

[1]MACDONALD M.Pro WPF in C#2008:Windows Presentation Foundation with.NET 3.5[M].New York:Apress，2008.

[2]NATHAN A.WPF揭秘[M].瞿杰,譯.北京：人民郵電出版社，2008:109-111.

[3]PETZOLD C.Windows Presentation Foundation程序設(shè)計(jì)指南[M].蔡學(xué)鏞，譯.北京:電子工業(yè)出版社,2008:844-845.

[4]朱永強(qiáng)，魯聰達(dá).自由曲線曲面造型技術(shù)的綜述[J].中國制造業(yè)信息化，2003，32(5):110-113.

[5]孫家廣，楊長貴.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

[6]譚超，張群會.基于AutoCAD的DXF格式文件讀寫方法研究[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2009,35(21):46-49.

[7]曾慶云.計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，1996(4):37-38.