劉愛(ài)龍，杜清運(yùn)，陳 濤，張 東，姚霄飛

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054)

跨平臺(tái)嵌入式地圖可視化機(jī)制研究

劉愛(ài)龍1，2，3，杜清運(yùn)1，陳 濤2，3，張 東2，3，姚霄飛2，3

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.西安測(cè)繪研究所，陜西 西安 710054)

針對(duì)適應(yīng)多樣性嵌入式操作系統(tǒng)的地圖可視化，在分析了嵌入式環(huán)境下跨平臺(tái)技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于中間件技術(shù)構(gòu)建了跨平臺(tái)的嵌入式地圖可視化引擎EMD_EN體系結(jié)構(gòu)，提出了引擎中涉及的面向?qū)ο蟮南鬟f機(jī)制、基于雙緩沖機(jī)制的圖形顯示與控制、嵌入式地圖符號(hào)庫(kù)等關(guān)鍵技術(shù)解決方案，并給出了基于EMD_EN的跨平臺(tái)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)方法。該跨平臺(tái)地圖可視化引擎在工程實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，應(yīng)用表明該引擎能較好地解決跨平臺(tái)的數(shù)字地圖顯示問(wèn)題。

嵌入式系統(tǒng)；跨平臺(tái)；地圖可視化；中間件

一、引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，以位置服務(wù)為代表的嵌入式地理信息應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，這些應(yīng)用大都以智能手機(jī)、PDA、平板電腦等各種嵌入式設(shè)備為載體，豐富的載體在為應(yīng)用帶來(lái)便捷性的同時(shí)也為地理信息應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了問(wèn)題。不同嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)架構(gòu)、圖形繪制接口、窗口系統(tǒng)等圖形支撐能力上存在較大差異。這種異構(gòu)性使得絕大多數(shù)嵌入式應(yīng)用只能局限于某一特定的嵌入式操作系統(tǒng)，若要應(yīng)用于其他嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)，需要進(jìn)行移植。但不同的嵌入式操作系統(tǒng)的異構(gòu)性給應(yīng)用系統(tǒng)移植造成了巨大的工作量，有些甚至相當(dāng)于需要重新開(kāi)發(fā)?？缙脚_(tái)技術(shù)是解決此類(lèi)問(wèn)題最為有效的途徑，而作為嵌入式地理信息應(yīng)用的核心數(shù)字地圖可視化的平臺(tái)是首先需要解決的問(wèn)題。

為解決地理信息應(yīng)用軟件的跨平臺(tái)問(wèn)題，許多學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了深入研究[1－4]。文獻(xiàn)[5]將數(shù)據(jù)層從系統(tǒng)中剝離出來(lái)，獨(dú)立形成一個(gè)底層的基礎(chǔ)模塊，不包含任何頂層的實(shí)現(xiàn)，以提高代碼的可移植性。文獻(xiàn)[6]提出了一種跨平臺(tái)的嵌入式GIS數(shù)據(jù)模型，該模型將與顯示無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)處理模塊獨(dú)立出來(lái)，并進(jìn)一步劃分為上層用戶(hù)接口模型和底層數(shù)據(jù)引擎模型。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于中間件的嵌入式GIS設(shè)計(jì)，并從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了介紹。這些研究成果在一定程度上解決了嵌入式應(yīng)用軟件在不同運(yùn)行環(huán)境下的移植性，但其大多不完全基于最底層的軟硬件環(huán)境，對(duì)操作系統(tǒng)具有一定的依賴(lài)性，不能做到真正的“一次編寫(xiě)，到處編譯”。本文基于底層的嵌入式軟硬件環(huán)境，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的數(shù)字地圖可視化引擎，解決了跨不同嵌入式平臺(tái)的數(shù)字地圖顯示問(wèn)題，并將研究成果在工程實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證。

二、嵌入式跨平臺(tái)相關(guān)技術(shù)分析

1.跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

(1)C＋＋語(yǔ)言

C＋＋是一種具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言[8]，具有非常高的效率，且對(duì)各類(lèi)平臺(tái)都具有良好的兼容性，基本上不用考慮開(kāi)發(fā)應(yīng)用平臺(tái)的限制，具有良好的可移植性。

(2)Java語(yǔ)言

Java是1995年5月由Sun Microsystems公司推出的一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言[9]。Java的跨平臺(tái)機(jī)理在于其開(kāi)發(fā)出來(lái)的程序可運(yùn)行于所有裝有Java虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)。目前桌面幾乎所有的操作系統(tǒng)都支持Java虛擬機(jī)，這樣Java程序可以做到“一次編譯，到處運(yùn)行”。但在嵌入式環(huán)境下，某些國(guó)產(chǎn)嵌入式系統(tǒng)還缺乏對(duì)Java虛擬機(jī)的支持，且Java為了追求穩(wěn)定性和跨平臺(tái)，其運(yùn)行效率不如C＋＋。

2.跨平臺(tái)組件技術(shù)

(1)COM組件

組件對(duì)象模型(component object model，COM)，是一種說(shuō)明如何建立可動(dòng)態(tài)互變組件的規(guī)范，此規(guī)范提供了為保證能夠互操作客戶(hù)和組件之間應(yīng)遵循的一些二進(jìn)制和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)[1]。通過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)可以在任意兩個(gè)組件之間進(jìn)行通信而不用考慮其所處的操作環(huán)境是否相同，以及使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是否一致。但是COM組件的跨平臺(tái)是指它在Win32下的跨語(yǔ)言平臺(tái)，在嵌入式環(huán)境下只適合于WinCE平臺(tái)。

(2)JavaBean

JavaBean是一種基于Java語(yǔ)言編寫(xiě)的可重用組件[3]。實(shí)際上JavaBean是一種Java類(lèi)，通過(guò)封裝屬性和方法成為具有某種功能或處理某個(gè)業(yè)務(wù)的對(duì)象。JavaBean不依賴(lài)于平臺(tái)，可以在任何安裝了Java運(yùn)行環(huán)境的平臺(tái)上使用，但是JavaBean必須依賴(lài)Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

3.嵌入式中間件技術(shù)

嵌入式中間件是位于嵌入式系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件之間的一種軟件，它在嵌入式操作系統(tǒng)所提供的基本功能與服務(wù)基礎(chǔ)上，為上層的應(yīng)用系統(tǒng)提供運(yùn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境，是嵌入式應(yīng)用獨(dú)立于具體軟硬件平臺(tái)的核心軟件環(huán)境[4]。通過(guò)中間件，可以屏蔽各種異構(gòu)軟硬件平臺(tái)差異，為上層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)接口，從而實(shí)現(xiàn)軟件的跨平臺(tái)應(yīng)用[4]。圖1給出了基于中間件的軟件開(kāi)發(fā)模型。與桌面中間件相比，主要差異在于：①嵌入式中間件運(yùn)行于資源有限的嵌入式設(shè)備上，運(yùn)行速度和效率受嵌入式環(huán)境的限制；②嵌入式操作系統(tǒng)差異較大，對(duì)中間件提出了更高的要求。嵌入式中間件的特點(diǎn)體現(xiàn)在：①微化內(nèi)核，由于嵌入式設(shè)備資源限制，嵌入式中間件不能較大，以保證運(yùn)行速度和效率；②多種嵌入式操作系統(tǒng)支持能力，盡可能做到“一次編寫(xiě)，多處運(yùn)行”；③多種應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議支持能力。

圖1 基于中間件的軟件模型

三、跨平臺(tái)嵌入式地圖可視化引擎EMD_EN結(jié)構(gòu)

本文基于嵌入式中間件技術(shù)，采用組件化圖形集成框架和模塊化方式，按照模塊高內(nèi)聚、模塊間低耦合的思路設(shè)計(jì)了跨平臺(tái)嵌入式地圖可視化引擎EMD_EN。EMD_EN位于嵌入式軟硬件平臺(tái)和地圖可視化應(yīng)用程序之間，為地圖可視化應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供統(tǒng)一的應(yīng)用編程接口，以屏蔽嵌入式運(yùn)行環(huán)境的軟硬件差異。EMD_EN由嵌入式操作系統(tǒng)適配器、嵌入式圖形繪制接口、嵌入式窗口系統(tǒng)、嵌入式地圖可視化、嵌入式圖形集成框架5個(gè)模塊組成。其構(gòu)成如圖2所示。

圖2 EMD_EN結(jié)構(gòu)

1.嵌入式操作系統(tǒng)適配器

嵌入式操作系統(tǒng)適配器由一系列的接口函數(shù)或抽象的接口類(lèi)組成，這些接口定義了應(yīng)用所需要的各種操作系統(tǒng)服務(wù)[7]。嵌入式操作系統(tǒng)適配器也可以細(xì)分為兩層：上層為應(yīng)用程序定義一致的應(yīng)用編程接口，這一層對(duì)所有的操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是相同的；下層與特定的操作系統(tǒng)相關(guān)，它是針對(duì)這些接口在特定操作系統(tǒng)之上的具體實(shí)現(xiàn)。

2.嵌入式窗口系統(tǒng)

嵌入式窗口系統(tǒng)是在嵌入式操作系統(tǒng)適配器基礎(chǔ)上，為上層應(yīng)用程序提供創(chuàng)建窗口和各類(lèi)控件的基本接口，并具有完備的消息傳遞和管理機(jī)制，以完成用戶(hù)交互及內(nèi)部消息處理。

3.嵌入式圖形處理接口

嵌入式圖形處理接口對(duì)操作系統(tǒng)適配器提供的基本圖形繪制接口進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了更為豐富的圖形繪制接口，用于完成基本的圖形圖像繪制。

4.嵌入地圖符號(hào)庫(kù)

嵌入地圖符號(hào)利用嵌入式圖形處理接口提供的基本功能，按照地圖可視化符號(hào)系統(tǒng)的要求，用于完成各種地圖符號(hào)和注記的顯示，以及地圖符號(hào)庫(kù)的管理組織。

5.嵌入式圖形集成框架

嵌入式圖形集成框架負(fù)責(zé)管理符合圖形集成框架規(guī)范的繪圖組件，協(xié)調(diào)各組件間的繪圖流程、功能處理、交互響應(yīng)和消息傳遞，并對(duì)各組件圖形繪制、縮放/漫游/旋轉(zhuǎn)等顯示控制，以及坐標(biāo)變換等進(jìn)行統(tǒng)一控制。

四、EMD_EN內(nèi)部機(jī)制

1.面向?qū)ο蟮南鬟f與管理機(jī)制

消息傳遞和管理機(jī)制是圖形可視化的基礎(chǔ)，也是窗口可視化的主控流程。不同嵌入式操作系統(tǒng)下屏幕的響應(yīng)與消息流動(dòng)機(jī)制各不相同，通過(guò)中間件技術(shù)將該過(guò)程統(tǒng)一起來(lái)，屏蔽底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)顯示過(guò)程中消息的有效傳遞和管理。本文采用了以面向?qū)ο鬄榛A(chǔ)的消息驅(qū)動(dòng)方案，以消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制為核心進(jìn)行消息的傳遞和管理。系統(tǒng)接受外部鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏等信息，且窗口系統(tǒng)中各窗口之間的通信都通過(guò)消息機(jī)制進(jìn)行管理。采用消息驅(qū)動(dòng)方案是由于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)容易造成對(duì)象之間的關(guān)系數(shù)目日益膨脹，形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，關(guān)系的復(fù)雜度也會(huì)導(dǎo)致類(lèi)和對(duì)象間的耦合度增多，而消息驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案可以很好地避免上述缺陷。

消息在操作系統(tǒng)適配層、窗口系統(tǒng)和上層應(yīng)用之間傳遞，驅(qū)動(dòng)著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3給出了消息之間的傳遞機(jī)制。

圖3 消息傳遞機(jī)制

2.基于雙緩沖機(jī)制的圖形圖像顯示與控制機(jī)制

對(duì)圖形核心服務(wù)的抽取是實(shí)現(xiàn)地圖可視化操作系統(tǒng)的關(guān)鍵，為了提高圖形的繪制效率，本文采用了基于雙緩沖機(jī)制的顯示策略。雙緩沖技術(shù)的基本思想是：不改變可見(jiàn)視頻緩存區(qū)起始地址，而是在內(nèi)存中開(kāi)辟一塊與屏幕一樣大小的存儲(chǔ)區(qū)域作為緩沖區(qū)域，將下一幀要顯示的地圖數(shù)據(jù)繪制到這個(gè)緩沖區(qū)域上，在顯示的時(shí)候緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)直接復(fù)制到屏幕上。由于圖形繪制過(guò)程在后臺(tái)進(jìn)行，可以有效地消除屏幕的閃爍和抖動(dòng)。

雙緩沖機(jī)制的基本過(guò)程為：在圖形系統(tǒng)初始化時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)虛擬的內(nèi)存設(shè)備，所有的圖形操作都作用在該內(nèi)存設(shè)備上，當(dāng)數(shù)據(jù)調(diào)用完成后，產(chǎn)生屏幕更新事件，應(yīng)用層通過(guò)嵌入式圖形集成框架調(diào)用嵌入式操作系統(tǒng)適配器，并最終調(diào)用特定操作系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)繪圖函數(shù)，完成圖形在虛擬內(nèi)存設(shè)備上的繪制，將該塊內(nèi)存拷貝于實(shí)際屏幕上。

3.嵌入式地圖符號(hào)繪制機(jī)制

嵌入式地圖可視化最主要的技術(shù)之一就是地圖符號(hào)庫(kù)技術(shù)。地理信息可視化中存在各種各樣的符號(hào)，無(wú)法用一段程序完成所有符號(hào)化顯示輸出。因此必須把這些符號(hào)進(jìn)行抽象，抽出所有符號(hào)的共同特征，用抽象出的共同特征組成各種地圖符號(hào)。無(wú)論多么復(fù)雜的地圖符號(hào)都可以分解為點(diǎn)、線(xiàn)段、橢圓、多邊形等基本圖形，這些圖形可稱(chēng)為圖元。將地圖符號(hào)解析為圖元后，在地圖符號(hào)描述和存儲(chǔ)時(shí)，只需通過(guò)圖元的類(lèi)型、大小、顏色、方向等屬性信息進(jìn)行描述和存儲(chǔ)即可。

此外，考慮到嵌入式設(shè)備自身嵌入式資源(CPU、存儲(chǔ))有限，以及顯示設(shè)備的分辨率低等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符號(hào)時(shí)以高效率為主要目標(biāo)，可對(duì)符號(hào)的質(zhì)量降低要求，以適應(yīng)嵌入式環(huán)境的特點(diǎn)。為了證明地圖符號(hào)庫(kù)在不同嵌入式平臺(tái)上通用性，本文符號(hào)庫(kù)所需要的基本圖元的繪制采用跨平臺(tái)的嵌入式繪圖原語(yǔ)完成。符號(hào)庫(kù)由符號(hào)層、圖元層和基本圖形元素層構(gòu)成，體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在嵌入式環(huán)境下繪制時(shí)，由于點(diǎn)狀符號(hào)繪制非常頻繁，因此點(diǎn)狀目標(biāo)的繪制成為地圖顯示的瓶頸。本文設(shè)計(jì)了一種柵格化的點(diǎn)狀符號(hào)繪制方案，以提高繪制效率。在預(yù)處理時(shí)將點(diǎn)狀符號(hào)預(yù)先柵格化，作為地圖數(shù)據(jù)的一部分提供給各種應(yīng)用，通常情況下點(diǎn)狀符號(hào)在符號(hào)庫(kù)中的描述包括組成它的各種圖元的描述，而在嵌入式環(huán)境下，點(diǎn)狀符號(hào)記錄的是該符號(hào)在柵格化符號(hào)中的位置，采用柵格化的方式顯示，顯示效率提高較為明顯。對(duì)于線(xiàn)狀地物的繪制，本文設(shè)計(jì)了一種光柵化顯示方法，首先根據(jù)線(xiàn)狀符號(hào)在符號(hào)庫(kù)中的描述信息和實(shí)際顯示比例信息，調(diào)用圖形繪制原語(yǔ)，對(duì)基本的現(xiàn)狀符號(hào)進(jìn)行柵格化處理；圖形繪制原語(yǔ)提供的接口在系統(tǒng)中稱(chēng)之為GGI (general graphic interface)，GGI提供了填充模式的畫(huà)線(xiàn)功能，系統(tǒng)將以上柵格化處理的結(jié)果作為畫(huà)線(xiàn)的填充模式，由GGI繪制出線(xiàn)狀符號(hào)。

圖4 符號(hào)繪制機(jī)制

五、基于EMD_EN的跨平臺(tái)地圖可視化應(yīng)用實(shí)例

1.基于EMD_EN的應(yīng)用開(kāi)發(fā)流程

基于EMD_EN引擎進(jìn)行地圖可視化軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，由于EMD_EN的跨平臺(tái)特性，可使用支持桌面Windows環(huán)境的EMD_EN構(gòu)建一個(gè)模擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)，充分利用Windows環(huán)境下開(kāi)發(fā)環(huán)境熟悉、調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)完畢后，只需要將代碼移植到目標(biāo)平臺(tái)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行重新編譯，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)平臺(tái)的嵌入式地圖可視化應(yīng)用，極大地提高嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)效率。基于EMD_EN引擎的嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)流程如圖5所示。

2.試驗(yàn)結(jié)果

基于本文的研究成果，筆者完成了基于 Vx-Works、WinCE、ReWorks和Android等多種嵌入式操作系統(tǒng)的地圖可視化應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。圖6給出了幾種不同嵌入式平臺(tái)下的地圖可視化效果。其中，圖6(a)為基于VxWorks系統(tǒng)的地圖可視化效果；圖6(b)為基于 Andriod系統(tǒng)的地圖可視化效果；圖6(c)為基于 WinCE系統(tǒng)的地圖可視化效果；圖6(d)為基于ReWorks系統(tǒng)的地圖可視化效果。

圖5 基于EMD_EN的開(kāi)發(fā)流程

圖6 數(shù)字地圖可視化中間件的顯示效果

在實(shí)踐過(guò)程中，本文對(duì)引擎在不同架構(gòu)、開(kāi)發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)類(lèi)型等條件下的顯示效率進(jìn)行了測(cè)試，表1給出了引擎在4個(gè)嵌入式平臺(tái)的地圖顯示應(yīng)用的試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，引擎能夠比較好地適應(yīng)基于A(yíng)RM、PowerPC、X86等不同系統(tǒng)架構(gòu)的Android、VxWorks和國(guó)產(chǎn)ReWorks等嵌入式操作系統(tǒng)的跨平臺(tái)應(yīng)用，可在Eclipse、WorkBench、EVC＋＋和ReDe等不同集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行移植編譯；顯示的效率與CPU頻率、系統(tǒng)圖形支持能力和地物復(fù)雜程度密切相關(guān)，主要影響因素是每屏顯示的數(shù)據(jù)量和地物復(fù)雜程度，其中地物復(fù)雜程度對(duì)顯示時(shí)間影響較大，地物符號(hào)越復(fù)雜則符號(hào)化所需時(shí)間就相對(duì)較長(zhǎng)?？傮w上引擎在幾種嵌入式平臺(tái)上的漫游均較為順暢，顯示時(shí)間可滿(mǎn)足地圖可視化應(yīng)用的要求。

表1 引擎在不同嵌入式平臺(tái)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果

六、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，本文提出的嵌入式數(shù)字地圖可視化中間件方法，能夠很好地屏蔽多操作系統(tǒng)間的差異，為上層跨平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了便捷的平臺(tái)，顯示效果和效率均滿(mǎn)足嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)地圖顯示的要求，有效降低了地圖可視化應(yīng)用軟件跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)的難度，較大提升了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

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Research on Cross-platform Map Display Mechanism Based on Embedded System

LIU Ailong，DU Qingyun，CHEN Tao，ZHANG Dong，YAO Xiaofei

P208

B

0494-0911(2014)12-0051-05

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10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0396

2014-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(41371427)

劉愛(ài)龍(1973—)，男，陜西長(zhǎng)安人，博士生，副研究員，主要研究方向?yàn)榍度胧降乩硇畔⑾到y(tǒng)與電子地圖導(dǎo)航。