梁磊，宋曉東，郭佩，鄭家莉

（1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

隨著中國(guó)載人航天領(lǐng)域的深入發(fā)展，載人登月及載人深空探測(cè)活動(dòng)逐步開展，航天員的在軌駐留時(shí)間與日俱增，需要完成的任務(wù)越來越多，人機(jī)交互設(shè)備的功能日益復(fù)雜和多樣化。在上述應(yīng)用背景下，人機(jī)交互顯示系統(tǒng)需要滿足人機(jī)工效評(píng)價(jià)的幾個(gè)因素[1]：

1）安全性與可靠性。人機(jī)交互顯示系統(tǒng)需要對(duì)航天員的操作及時(shí)做出響應(yīng)，保證指令、數(shù)據(jù)收發(fā)的實(shí)時(shí)性；對(duì)關(guān)鍵性功能設(shè)計(jì)有再次確認(rèn)的措施，以避免由于航天員誤操作帶來的安全性事故。

2）合理性。在既定液晶顯示器尺寸的背景下，所采用的字體、字符大小、頁面布局形式等因素應(yīng)該方便航天員辨認(rèn)，識(shí)別較快，出錯(cuò)較少。顯示出的信息需要按照優(yōu)先程度進(jìn)行排列，以便航天員在身著航天服的情況下能最容易得到執(zhí)行某些任務(wù)的信息，并準(zhǔn)確地做出操作。

3）可配置性。為滿足航天員對(duì)操作界面的個(gè)性化需求，設(shè)計(jì)多種顯示方案，對(duì)界面的顏色、布局、顯示風(fēng)格等能夠自主配置。

早期的載人航天人機(jī)交互顯示系統(tǒng)采用機(jī)械化的儀表和物理按鍵，在有限的艙內(nèi)空間中，布局局促，操作不便的缺點(diǎn)暴露無遺。隨著載人航天二期工程的發(fā)展，物理按鍵結(jié)合液晶顯示屏的方案被成功應(yīng)用，但是設(shè)備的物理區(qū)域仍然占用大量空間，圖形化顯示的實(shí)現(xiàn)采用繪圖（點(diǎn)、線、面）方式，顯示效果單一，代碼量大，執(zhí)行效率低。當(dāng)前，民用計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步成熟，結(jié)合航天器質(zhì)量、空間、能源的自身特點(diǎn)，重量輕、體積小功耗低的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到載人航天器中，在嵌入式操作系統(tǒng)上通過觸摸式液晶顯示實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖形用戶界面系統(tǒng)成為構(gòu)建日益復(fù)雜的人機(jī)交互界面的有效解決方案[2]。

MiniGUI是一款輕量級(jí)的面向嵌入式系統(tǒng)的高級(jí)窗口系統(tǒng)（Windowing System）和圖形用戶、界面（Graphical User Interface，GUI）支持系統(tǒng)[3]。控件（Control）則是GUI系統(tǒng)中提供給應(yīng)用開發(fā)人員的現(xiàn)有設(shè)計(jì)元素，例如按鈕（Button）、編輯框（Edit）、列表框（Listbox）、靜態(tài)框（Static）等等[4]，控件的設(shè)計(jì)風(fēng)格決定了圖形用戶界面的顯示效果。通過控件的應(yīng)用，開發(fā)人員可以快速開發(fā)出GUI應(yīng)用程序。但是航天員需要GUI具備識(shí)別度高、實(shí)時(shí)性好、可配置的特點(diǎn)，系統(tǒng)默認(rèn)提供的控件經(jīng)常無法滿足航天員在身著航天服情況下進(jìn)行操作或遠(yuǎn)距離識(shí)別的特殊要求。這就需要軟件設(shè)計(jì)人員自行開發(fā)控件，以滿足航天員的使用需求。

1 自定義控件的設(shè)計(jì)方法

文獻(xiàn)[5]提出的控件的實(shí)現(xiàn)方式主要有以下幾種：①直接使用系統(tǒng)定義的控件；②對(duì)已經(jīng)建立的控件實(shí)例進(jìn)行子類化；③對(duì)某個(gè)控件類進(jìn)行子類化。第1種方式是對(duì)系統(tǒng)定義好的控件的直接使用，用戶受限于其已定義好的功能和樣式，不能擴(kuò)展。第2種方式只會(huì)影響到一個(gè)控件實(shí)例，可改動(dòng)的控件信息少，應(yīng)用范圍受該控件的固有屬性所限制，而且在需要大量控件的界面中，軟件開發(fā)者需要不斷地對(duì)控件進(jìn)行子類化，增加了代碼重復(fù)性，降低了軟件設(shè)計(jì)效率。第3種方式類似于C++里的“繼承”，繼承已有的控件類，并在其基礎(chǔ)上做擴(kuò)展。該方法限定了控件的基礎(chǔ)功能而不能進(jìn)行顛覆性的設(shè)計(jì)。例如MiniGUI里的CTRL_ BUTTON類，可以設(shè)定“classic”、“fashion”、“skin”風(fēng)格，但僅限于在這幾種風(fēng)格之間切換，用戶不能隨意修改按鍵的配色、外形、立體效果等設(shè)計(jì)元素。

本文提出的自定義控件設(shè)計(jì)方式為新注冊(cè)一個(gè)控件類，不會(huì)影響原有其他控件類。該方法按照需求完全自己重新設(shè)計(jì)控件類，相當(dāng)于在MFC里繼承自CObject類。目前，對(duì)自己重新設(shè)計(jì)控件類的工程應(yīng)用還沒有報(bào)道。本文以按鍵控件為例闡述自定義控件的設(shè)計(jì)方法，從實(shí)際應(yīng)用的需求出發(fā)，根據(jù)MiniGUI的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)自定義按鍵進(jìn)行了信息流和切換邏輯等設(shè)計(jì)。另外，除了文獻(xiàn)[5]描述的按鍵的4種狀態(tài)（正常、按下、焦點(diǎn)、無效）外，按鍵的每一種狀態(tài)都能夠保持（自鎖）也是一項(xiàng)非常重要的狀態(tài)，此時(shí)航天員可以通過視覺感知按鍵的狀態(tài)來了解設(shè)備的工作情況，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。下面介紹新注冊(cè)按鍵類的方法。

1.1 信息流設(shè)計(jì)

MiniGUI是消息驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，一切運(yùn)作都圍繞著消息進(jìn)行，MiniGUI應(yīng)用程序通過接收消息來實(shí)現(xiàn)不同線程的數(shù)據(jù)傳輸和控制。系統(tǒng)對(duì)輸入事件或應(yīng)用程序的響應(yīng)產(chǎn)生消息，應(yīng)用程序可以通過產(chǎn)生消息來完成，頁面重繪、數(shù)據(jù)更新以及與其他應(yīng)用程序的窗口進(jìn)行通訊。

消息結(jié)構(gòu)的成員包括該消息所屬的窗口（Hwnd）、消息標(biāo)識(shí)、消息的WPARAM型參數(shù)（WParam）、消息的LPARAM型參數(shù)（LParam）以及消息發(fā)生的時(shí)間。MiniGUI中預(yù)定義的消息有：系統(tǒng)消息、對(duì)話框消息、窗口繪制消息、窗口創(chuàng)建和銷毀消息、鼠標(biāo)和鍵盤消息、鼠標(biāo)/鍵盤后處理消息等[4]。自定義按鍵控件類的實(shí)現(xiàn)離不開對(duì)上述消息的綜合利用，每一個(gè)按鍵即是一個(gè)窗口，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)窗口創(chuàng)建消息。在鼠標(biāo)或鍵盤對(duì)按鍵進(jìn)行操作時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的鼠標(biāo)或鍵盤消息，啟動(dòng)按鍵控件的窗口繪制消息，以改變按鍵的形態(tài)、顏色等屬性。通過窗口銷毀消息可以對(duì)不需要的按鍵進(jìn)行銷毀處理，釋放系統(tǒng)資源。

在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)過程中，以MiniGUIMain()函數(shù)為程序入口點(diǎn)，創(chuàng)建自定義按鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和初始化函數(shù)，系統(tǒng)在主窗口創(chuàng)建后自動(dòng)建立消息循環(huán)，等待新消息的到來。產(chǎn)生鼠標(biāo)消息時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用窗口過程函數(shù)進(jìn)行處理并輸出到屏幕[6]。由系統(tǒng)調(diào)度分配執(zhí)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的執(zhí)行，提高軟件的運(yùn)行效率。自定義按鍵控件消息的信息流程及消息機(jī)制如圖1所示。

圖1 信息流程及消息機(jī)制Fig. 1 Information flow and message mechanism

1.2 按鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

按鍵控件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義了按鍵的功能和配置參數(shù)，是對(duì)體現(xiàn)按鍵控件顯示效果的各元素的提煉。配置參數(shù)的多少?zèng)Q定了按鍵在使用過程中可配置性的強(qiáng)弱。軟件開發(fā)人員在使用該類按鍵控件生成實(shí)例時(shí)，可以按需求對(duì)參數(shù)進(jìn)行賦值。航天員可以在功能界面中自行配置參數(shù)的起始位置、大小、顏色等信息，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化配置?？膳渲玫膮?shù)包括：位置、尺寸、字體、字體顏色、前景色（包括抬起、按下、焦點(diǎn)、無效、自鎖5種狀態(tài)）、投影色、自鎖屬性及顯示模式等，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如圖2所示。

1.3 按鍵切換狀態(tài)的設(shè)計(jì)

通過對(duì)日常生活中各類按鍵特點(diǎn)的分析，主要設(shè)計(jì)了按鍵的5種顯示狀態(tài)（正常、按下、高亮、無效、自鎖）的外觀效果，符合日常操作習(xí)慣，易于航天員理解和接受。

圖2 按鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig. 2 Data structure of button

針對(duì)文中提到的投影風(fēng)格和凹凸風(fēng)格，分別實(shí)現(xiàn)了兩套代碼。通過MiniGUI自帶的繪圖函數(shù)繪制直線（Lineto()）、繪制圓（Circle()）、繪制矩形（Rectangle()）、寫文字（Drawtext()）、填充繪圖區(qū)域（FillBox()）等函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行模塊化打包處理。按鍵控件外觀效果實(shí)現(xiàn)函數(shù)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中：

圖3 按鍵設(shè)計(jì)函數(shù)Fig. 3 Button design function

1.4 按鍵切換邏輯

按鍵共設(shè)計(jì)有5種狀態(tài)：正常（Normal），鼠標(biāo)或人手（使用觸摸屏?xí)r）不在按鍵所在區(qū)域，且按鍵處于使能的狀態(tài)；焦點(diǎn)（Focus），按鍵處于輸入焦點(diǎn)的狀態(tài)，此時(shí)鼠標(biāo)或人手（使用觸摸屏?xí)r）懸浮于按鍵所在區(qū)域，且按鍵處于使能的狀態(tài)；按下（Click），按鍵在焦點(diǎn)狀態(tài)下被按下；無效（Disable），控件被EnableWindow()設(shè)置成無效時(shí)的狀態(tài)；自鎖（Lock），自鎖參數(shù)Lock有效，按鍵進(jìn)入鎖定的狀態(tài)且在鼠標(biāo)或人手（使用觸摸屏?xí)r）離開按鍵所在區(qū)域后，能夠保持。自定義按鍵控件的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 按鍵狀態(tài)切換邏輯Fig. 4 Button state switching logic

1.5 圖片風(fēng)格設(shè)計(jì)

自定義按鍵是基于MiniGUI體系設(shè)計(jì)的，因此也具備MiniGUI中定義的按鍵基本功能。這里圖片風(fēng)格的設(shè)計(jì)采用在自定義按鍵上加載位圖的方式實(shí)現(xiàn)外觀的動(dòng)態(tài)效果。位圖通常是使用第三方畫圖工具完成的，其優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的各種復(fù)雜圖像，最真切的反應(yīng)按鍵控件的功能特點(diǎn)。

位圖缺點(diǎn)也是顯著的，主要有兩個(gè)。第一，位圖容易受設(shè)備依賴性的影響，例如顏色，位圖經(jīng)常暗示了特定的顯示分辨率和圖像縱橫比。盡管位圖能被拉伸和壓縮，但是此過程通常包括復(fù)制或刪除像素的某些行和列，這樣會(huì)導(dǎo)致圖像的失真。位圖的第二個(gè)主要缺點(diǎn)是需要的存儲(chǔ)空間很大。位圖的存儲(chǔ)空間由位圖的大小及其顏色數(shù)決定，例如，表示一個(gè)320 ×240像素，16位色的屏幕的位圖需要至少320 × 240 ×2=150 KB的存儲(chǔ)空間；而存儲(chǔ)一個(gè)1 024 × 768像素，24位色的位圖則需要大于2 MB的空間。在軌運(yùn)行的飛行器的存儲(chǔ)空間通常有限，大規(guī)模軟件在前期策劃時(shí)要慎重權(quán)衡采用的設(shè)計(jì)方案。

在圖片風(fēng)格按鍵控件的設(shè)計(jì)過程中，首先在程序初始化時(shí)通過調(diào)用MiniGUI的LoadBitMap函數(shù)將某種位圖文件裝載為MiniGUI設(shè)備相關(guān)的位圖對(duì)象（即BITMAP對(duì)象）到設(shè)備內(nèi)存。然后，調(diào)用位塊填充函數(shù)FillBoxWithBitmap將位圖填充到按鍵控件所在區(qū)域。產(chǎn)生鼠標(biāo)動(dòng)作時(shí)，調(diào)用BitBlt()函數(shù)用新的位圖替換掉原來控件上的位圖，實(shí)現(xiàn)按鍵狀態(tài)切換的顯示效果更新。

2 按鍵3種設(shè)計(jì)風(fēng)格的實(shí)現(xiàn)

2.1 投影風(fēng)格

5種狀態(tài)的表現(xiàn)方式全部通過代碼編程的方式繪制。設(shè)計(jì)按鍵時(shí)，將按鍵的前景和背景的位置形成偏差，背景設(shè)計(jì)出黑色影子的效果，如圖5～8的左側(cè)處于正常狀態(tài)的按鍵顯示效果。當(dāng)按下按鍵，前景移動(dòng)位置將背景覆蓋，前景上的文本同步移動(dòng)即可看到動(dòng)態(tài)效果。圖5右側(cè)按鍵為按下時(shí)的狀態(tài)，按鍵顏色切換為綠色，且前景移位覆蓋背景。圖6右側(cè)為進(jìn)入焦點(diǎn)狀態(tài)的按鍵效果，顏色已切換為亮藍(lán)色。圖7右側(cè)按鍵處在自鎖狀態(tài)，從圖中可以看到，鼠標(biāo)不在按鍵區(qū)域，但是按鍵的狀態(tài)仍然可以保持。圖8右側(cè)按鍵為無效的顯示效果，按鍵顏色定義為灰色。

圖5 正常狀態(tài)和按下狀態(tài)對(duì)比Fig. 5 Comparison between normal state and pressed state

圖6 正常狀態(tài)和高亮狀態(tài)對(duì)比Fig. 6 Comparison between normal state and highlight state

圖7 正常狀態(tài)和鎖定狀態(tài)對(duì)比Fig. 7 Comparison between normal state and locked state

圖8 正常狀態(tài)和無效狀態(tài)對(duì)比Fig. 8 Comparison between normal state and disabled state

2.2 凹凸風(fēng)格

該風(fēng)格是通過代碼編程的方式繪制，在顯示效果上，根據(jù)光照的明暗紋理給人視覺上的不同表現(xiàn)而設(shè)計(jì)。如圖9所示，這里給出了按鍵的正常狀態(tài)和自鎖狀態(tài)的對(duì)比圖。按鍵的彈起和按下給人一種視覺上的凸起和凹下的物理按鍵的顯示效果。

2.3 圖片風(fēng)格

將5個(gè)圖標(biāo)繪制成一張圖片來表示按鍵的5種狀態(tài)，圖片支持bmp、png、gif、jpeg等格式，如圖10所示，它由長(zhǎng)200寬120的5個(gè)按鍵狀態(tài)組成，從上到下一次為正常、高亮、按下、無效、鎖定5種狀態(tài)。按鍵的外觀效果完全由圖片展現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過判斷鼠標(biāo)對(duì)按鍵區(qū)域的操作對(duì)圖10中對(duì)應(yīng)按鍵區(qū)域進(jìn)行截取。應(yīng)用到軟件實(shí)現(xiàn)中的效果如圖11所示。圖11左側(cè)是正常狀態(tài)，右側(cè)鼠標(biāo)已經(jīng)放在按鍵區(qū)域中，按鍵處于高亮狀態(tài)，且圖標(biāo)中的箭頭相比于正常狀態(tài)有所縮小，即圖10中第2個(gè)按鍵的顯示效果。

圖9 凹凸風(fēng)格的正常狀態(tài)和鎖定狀態(tài)對(duì)比Fig. 9 Comparison between normal state and locked state of the concave and convex style

圖10 按鍵位圖的五種狀態(tài)Fig. 10 The five bitmap of the button bitmap

圖11 貼圖風(fēng)格的按鍵正常狀態(tài)和高亮狀態(tài)Fig. 11 Comparison between normal state and highlight state of the bitmap style

2.4 3種顯示風(fēng)格的比較

投影風(fēng)格和凹凸風(fēng)格的設(shè)計(jì)思路相同，表現(xiàn)方式不同。投影風(fēng)格的按鍵通過假想按鍵左上角的光照在右下角產(chǎn)生投影，設(shè)計(jì)出按鍵的立體效果，凹凸風(fēng)格則是通過按鍵邊緣對(duì)光照的不同表現(xiàn)效果營(yíng)造出按鍵的立體感。軟件開發(fā)者可以根據(jù)上述兩種風(fēng)格的思路，設(shè)計(jì)出其他的風(fēng)格，在軟件的實(shí)際應(yīng)用中，凹凸風(fēng)格和投影風(fēng)格可以作為顯示風(fēng)格的兩種配置方案。這兩種風(fēng)格均是應(yīng)用MiniGUI系統(tǒng)的函數(shù)通過繪圖實(shí)現(xiàn)的，沒有資源的加載和釋放過程，代碼執(zhí)行效率高，響應(yīng)快，但是顯示的效果只能通過點(diǎn)、線、面的顏色搭配來實(shí)現(xiàn)，無法實(shí)現(xiàn)顏色漸變、渲染、發(fā)光等高級(jí)效果。

圖片風(fēng)格是通過專用的圖片操作函數(shù)加載內(nèi)存中的圖片資源實(shí)現(xiàn)的，可以減少軟件代碼的設(shè)計(jì)工作。圖片一般由第三方軟件繪制，可以為用戶提供豐富的視覺信息，但是對(duì)于控件需求量比較大的軟件，則需要配置數(shù)目可觀的圖片，而且在圖片切換的過程中需要耗費(fèi)較大的計(jì)算機(jī)資源，對(duì)存儲(chǔ)空間和處理速度的額外需求將給航天器嵌入式系統(tǒng)帶來巨大的負(fù)擔(dān)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)硬件的配置情況和對(duì)外觀效果需求的高低對(duì)上述控件的風(fēng)格進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇。

3 結(jié)束語

MiniGUI是一個(gè)面向嵌入式操作系統(tǒng)的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，能夠快捷地完成圖形用戶信息交互界面的開發(fā)。在航天器資源有限的情況下，通過文中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，成功將MiniGUI的自定義控件應(yīng)用到載人航天器的圖形用戶界面中，通過模塊化設(shè)計(jì)方法提高了軟件運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了按鍵屬性可配置，并通過多種方案和大量的繪圖驗(yàn)證了自定義控件方法的可行性和顯示效果的美觀性、實(shí)用性。該方法還可以應(yīng)用到編輯框、列表框等其他控件的設(shè)計(jì)中，目前，人機(jī)交互界面中的3種顯示風(fēng)格均通過了載人航天系統(tǒng)的人機(jī)工效學(xué)評(píng)價(jià)，投影風(fēng)格和凹凸風(fēng)格的設(shè)計(jì)已在載人航天三期工程的某型號(hào)中得到應(yīng)用。

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