楊詠建，祝勝強

(河北遠東哈里斯通信有限公司，河北石家莊050035)

0 引言

態(tài)勢標繪系統(tǒng)廣泛應用于電力、通信和應急等多個行業(yè)和領域。一般的地理信息系統(tǒng)中都含有態(tài)勢標繪功能，它可以用形象生動的矢量符號描述各種業(yè)務對象，表示各種資源，還可以動態(tài)渲染業(yè)務進度和流程。一個性能比較好的態(tài)勢標繪系統(tǒng)要求能支持大批量矢量符號的集中渲染重繪，不能延遲閃爍，圖像不能失真，同時還應繪制各種業(yè)務的態(tài)勢圖，支持流暢的態(tài)勢演播功能。目前一般的標繪系統(tǒng)都很少研究大批量矢量符號渲染性能，一般也沒有采用視頻方式來表現(xiàn)態(tài)勢演播功能，根據(jù)這2個主要的業(yè)務需求，重新設計了態(tài)勢標繪系統(tǒng)。

1 標繪系統(tǒng)總體設計

態(tài)勢標繪系統(tǒng)是以地理信息系統(tǒng)為平臺，使用點、線、面符號和其他一些矢量符號，標繪各種對象，動態(tài)描述各種資源信息。在基本態(tài)勢標繪系統(tǒng)之上優(yōu)化了海量矢量符號的顯示效果，并提出視頻形式的態(tài)勢演播系統(tǒng)。

1.1 總體需求

系統(tǒng)大體分為2個部分，資源標繪子系統(tǒng)和態(tài)勢演播子系統(tǒng)，資源標繪子系統(tǒng)主要實現(xiàn)矢量符號在地圖上的標繪，主要包含添加、刪除、修改、添加標注、修改大小以及顏色等顯示屬性，還要支持矢量符號的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)以及拖動等效果。態(tài)勢演播子系統(tǒng)是為了滿足應急處置時的各種態(tài)勢圖的動態(tài)展現(xiàn)而設計的，主要功能包括態(tài)勢錄制、態(tài)勢播放、停止、暫停以及保存態(tài)勢文件、打開態(tài)勢文件、快進和快退等，其中還包括地圖的一系列操作，比如放大、縮小及漫游等操作，從而產(chǎn)生一種流暢的視頻播放效果。

1.2 總體設計

資源標繪子系統(tǒng)綜合考慮了資源管理和標繪系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，用矢量符號表示一類資源，以經(jīng)緯度為關聯(lián)點，采用數(shù)據(jù)庫技術存儲資源信息，以地圖上的單擊，移動等鼠標操作來同步實現(xiàn)資源的添加、修改及刪除等操作，同時合理規(guī)劃數(shù)據(jù)結構，使資源的維護支持動態(tài)添加，資源的屬性也可以自動添加，以矢量符號標繪技術直觀地在地圖上展示資源。

態(tài)勢演播吸取了傳統(tǒng)態(tài)勢圖的經(jīng)驗，將一張張態(tài)勢圖加上時間點連貫起來，使其變成和實際應急時間相關聯(lián)的動態(tài)態(tài)勢，這樣原來的態(tài)勢圖就變成態(tài)勢視頻了，更生動，更符合調(diào)度實際，更具有時效性。將傳統(tǒng)的態(tài)勢圖變?yōu)閼B(tài)勢視頻形式，需要在標繪過程中錄制一幀幀的態(tài)勢圖，冠以時間，錄制完畢后保存。然后在回放時，再從文件中讀取，按照時間播放每一幀，這樣就可以實現(xiàn)態(tài)勢演播效果了。

2 需要解決的問題

實際實現(xiàn)過程中必須解決好以下2個問題，標繪符號閃爍失真問題和態(tài)勢文件太大不易傳輸?shù)膯栴}。

2.1 常規(guī)矢量標繪的延遲、閃爍問題

在一般指揮調(diào)度系統(tǒng)中，態(tài)勢標繪作為基礎功能在應急指揮調(diào)度中起著重要作用，尤其是在資源管理標繪系統(tǒng)中，各種單位、物資、行動路線和集結區(qū)域，經(jīng)常布滿整個地圖，在漫游地圖或者放大、縮小地圖等操作時地圖上的矢量符號經(jīng)常會發(fā)生延遲、閃爍等現(xiàn)象，大大影響了界面美觀和使用效率。

2.2 演練過程的態(tài)勢文件存儲問題

真正的演練過程，勢必前期要準備詳盡的演練腳本，文字形式的腳本好編輯，但是地圖上的推演態(tài)勢想要動態(tài)貫穿整個演練過程，就比較復雜。比較傳統(tǒng)的方法是針對演練的不同階段繪制不同的演練態(tài)勢圖，當演練到達該步驟時將該態(tài)勢圖顯示到地圖上，這種方式比較原始，實際上類似于照片形式，它的弊端在于無法實時動態(tài)展現(xiàn)，生硬直板不夠形象。

如果把這些照片連貫起來加以細化，多個幀連起來加上時間點就變?yōu)閼B(tài)勢演練視頻了，這樣在演練過程中直接播放，生動直觀又能突出態(tài)勢的演變過程，事實證明這種方式受到指揮領導一致好評。但是問題又出現(xiàn)了，隨著切片幀的增加，演練時間的增長，這種照片形式的演播產(chǎn)生的演播文件也越來越大，占用了巨大硬盤空間，給態(tài)勢文件的保存、傳輸帶來不便。

3 關鍵技術

3.1 矢量符號渲染方式改進

標繪系統(tǒng)主要是由矢量符號庫、繪制函數(shù)庫、繪制渲染邏輯和上層業(yè)務組成，這里以繪制渲染邏輯為研究重點，繪制邏輯基本包含符號的縮放、閃爍、旋轉(zhuǎn)和拖動等。常規(guī)的標繪流程設計如圖1所示，繪制邏輯根據(jù)選擇的符號調(diào)用矢量繪制函數(shù)，間接調(diào)用系統(tǒng)API來繪制到地圖句柄上，這種常規(guī)設計常用在小型標繪系統(tǒng)中，標繪符號較少，在當前主流配置主機上這種設計不會造成特別明顯的延遲和閃爍，但是應急資源管理和調(diào)度過程中，需要展示的資源比如應急物資、重點目標、行進路徑、救援車輛以及救援專業(yè)隊等將會布滿整個屏幕，成千上萬個資源不斷地渲染在地圖上就凸現(xiàn)出許多問題，延遲、閃爍，甚至重疊、擦除和失真等等。

圖1 標繪基本流程圖

問題2.1主要是因為多次調(diào)用系統(tǒng)繪制函數(shù)，資源耗費嚴重導致其中大量矢量符號的繪制需要復雜的算法來實現(xiàn)，其中許多邏輯必須重復多次調(diào)用系統(tǒng)底層繪制接口，重復地申請系統(tǒng)資源，大量的計算對CPU也是巨大的考驗，再加上上層業(yè)務的頻繁調(diào)用，使得繪制渲染邏輯模塊成為渲染性能的瓶頸?？紤]到矢量符號繪制函數(shù)比較多，整體改進的可行性比較小，所以考慮改變繪制渲染邏輯以求能有效提升整個標繪系統(tǒng)的性能。

為了消除閃爍和延遲現(xiàn)象，首先考慮到使用雙緩沖繪圖，所謂雙緩沖繪圖就是采用緩存實現(xiàn)的，傳統(tǒng)的繪圖方式實際上都是單緩沖，在Windows中每個設備都在內(nèi)存中有一個設備描述表與其對應，這個設備描述表實際上就是一個內(nèi)存緩沖區(qū)，傳統(tǒng)的繪圖就是將圖形繪制到設備描述緩存區(qū)中，然后操作系統(tǒng)的圖形設備接口會自動將前端緩沖區(qū)數(shù)據(jù)拷貝到顯存中進行顯示。雙緩沖圖形刷新技術在內(nèi)存中有2塊緩存，除了設備描述緩存區(qū)外，還需要手動建立一個和設備描述緩沖區(qū)兼容的后備緩沖區(qū)，在繪圖過程中先將圖形繪制到后備緩沖區(qū)中，然后再手動將后備緩沖區(qū)的圖像拷貝到前端緩沖區(qū)由系統(tǒng)自動繪制。這種雙緩沖技術能很好地避免閃爍現(xiàn)象［1］。

但是在GIS實際操作中，常常是多種行為并列執(zhí)行，比如，在閃爍某資源符號時，進行放大地圖或者隱藏某類資源。這個步驟看似很簡單，但是后臺需要處理的繪制邏輯相當復雜，在閃爍過程中，其實是由2個后備緩沖位圖交替拷貝到前端緩沖區(qū)實現(xiàn)的。但是在放大地圖或者隱藏顯示某類資源時，又會進行重繪操作，放大地圖，也采用一個后備緩沖位圖來實現(xiàn)。隱藏某類資源也是采用一個后備緩沖位圖，這種常見的操作，就要需要至少3個后備緩沖圖來實現(xiàn)，如果單純使用雙緩沖，是無法完全滿足這種顯示需求的，因為上述操作會交替重繪從而可能產(chǎn)生大馬賽克，甚至整個圖形扭曲。

仔細研究后發(fā)現(xiàn)，這里缺少一種鎖機制，多個后備緩沖圖在拷貝到前端緩沖圖時發(fā)生沖突導致，在手動拷貝到前端緩沖區(qū)時加上鎖，完了再解鎖，并禁止背景刷新，這樣就產(chǎn)生了多緩沖繪圖，圖2流程中就是使用多緩沖機制進行矢量符號渲染方式改進的流程圖。

圖2 矢量符號渲染方式改進流程

所謂多緩沖機制，就是在通常的雙緩沖繪圖［1，2］基礎上，根據(jù)渲染邏輯不同采用多于 2個的后備緩沖位圖來繪制圖數(shù)據(jù)，按照渲染邏輯不同使用特定鎖機制來協(xié)調(diào)多個后備緩沖位圖依次拷貝到前端緩沖區(qū)，然后通過系統(tǒng)圖形設備接口自動顯示。比如:大批量顯示和刪除、閃爍、放大縮小和旋轉(zhuǎn)，這些顯示邏輯在重復使用時，所有的繪制邏輯先生成緩沖數(shù)據(jù)，然后再繪制在各自相應的后備緩沖位圖上，最終的前端緩沖位圖是由這些后備位圖數(shù)據(jù)組合而成，就是在繪制源位圖按照鎖機制拷貝到前端緩沖區(qū)。

這樣做首先避免了不斷地重繪地圖造成的顯存資源損耗;其次所有的繪制邏輯不實際繪制到地圖句柄，而是使用內(nèi)存拷貝方法BitBit，它支持圖形塊的數(shù)據(jù)復制，大大減少處理時間，消除了系統(tǒng)延遲［3］。實驗證明這種多緩沖組合繪制方式能明顯提升海量符號渲染性能。

3.2 序列化存儲減少態(tài)勢文件大小

為了減少態(tài)勢文件［4］的大小，研究了矢量符號態(tài)勢的關鍵點序列化存儲方法［5，6］。該方法的基本原理是，考慮到矢量符號在繪制過程中是靠基礎點和關鍵點來渲染的，可以把那種圖片格式的態(tài)勢存儲轉(zhuǎn)化成符號對象的序列化存儲［7］。符號對象的序列化是指:符號對象由基礎點、關鍵點、控制點［8］和各種屬性組成，把這些點和屬性按照一定的數(shù)據(jù)格式序列化存儲起來，在顯示時再反序列化讀出來，再調(diào)用繪制邏輯重繪，幀序列化過程如圖3所示。

圖3 幀序列化和反序列化示意圖

具體實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 態(tài)勢演播示意圖

TS文件中存放的是帶有時刻的一系列幀組合數(shù)據(jù)，錄制時按照時間點序列化幀存儲到TS文件，回放時從TS文件中反序列化讀取幀。

TS文件的存儲采用二進制流直接存儲。符號對象按照特定的屬性信息順序依次存儲，而一定時間內(nèi)的標繪變化，是按照50 ms一幀存儲的。每一幀記錄的是當前時刻地圖上所有符號對象的屬性序列化數(shù)據(jù)，其中還包含地圖的放大率、中心坐標以及一些即時操作。

4 測試結果分析

經(jīng)過改進后的多緩沖符號渲染機制，通過實驗直觀地可以看到不再出現(xiàn)延遲和閃爍現(xiàn)象，同時使得后期的動畫渲染也成為可能，比如行進箭頭的動態(tài)增長，應急車的行進軌跡，疏散區(qū)域的顏色持續(xù)漸進變化等等一系列動畫效果實現(xiàn)起來更容易。如果沒有這種多緩沖機制，這種動畫效果會變得非?？?，并且閃爍現(xiàn)象很明顯。事實證明多緩沖機制能有效提升標繪系統(tǒng)的性能，因為效果比較直觀，這里不再過多贅述，著重分析下序列化存儲試驗結果。

序列化態(tài)勢文件存儲在一定程度上增加了時間復雜度，但是能極大程度地減少存儲空間，經(jīng)過實驗，圖片格式態(tài)勢文件和序列化態(tài)勢文件大小的比較數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 單幀大小對比結果

表2 十分鐘態(tài)勢文件大小對比結果

由表1和表2數(shù)據(jù)對比明顯得出:序列化存儲態(tài)勢演播文件可以極大程度降低文件所占存儲空間。以單幀表較數(shù)據(jù)為例，圖片和序列化格式大小對比為26:1，而以10 min態(tài)勢文件作對比，發(fā)現(xiàn)圖片和序列化格式大小對比為6 423:1，經(jīng)過分析得知，單幀情況下圖片格式和序列化格式差距不是特別大，是因為序列化格式單幀數(shù)據(jù)中地圖相關數(shù)據(jù)占大部分，其實符號序列化屬性數(shù)據(jù)在單幀中所占空間微乎其微。由此可以得出:矢量符號態(tài)勢的序列化存儲方法，能有效降低態(tài)勢文件的大小。

有了這種存儲機制，在態(tài)勢推演過程中的態(tài)勢錄制、態(tài)勢存儲、文件加密和文件傳輸過程中都極為方便，也不用擔心指揮系統(tǒng)服務器的硬盤空間不夠用。這種存儲方式一定程度上是增加了標繪系統(tǒng)的計算量，相當于是增加了部分時間復雜度來換取的低空間文件存儲，經(jīng)過實際演練效果檢驗，雙核1.8 GHz的CPU，2G內(nèi)存配置XP系統(tǒng)中運行標繪演練系統(tǒng)，采用這種序列化機制存儲后，并沒有明顯地出現(xiàn)計算延遲，絲毫不影響顯示效果。綜上所述，這種存儲機制在這種態(tài)勢演練系統(tǒng)中是切實可行，方便有效的。

5 結束語

在研究態(tài)勢標繪系統(tǒng)過程中，解決了海量資源渲染和態(tài)勢文件存儲2個難題，目前該態(tài)勢標繪系統(tǒng)已交付用戶試用，用戶反映該系統(tǒng)性能良好，在資源管理系統(tǒng)中的資源符號展現(xiàn)效果良好，在聯(lián)合標繪和態(tài)勢文件存儲、傳輸過程中，矢量符號序列化存儲方法也起到了重要作用。

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