態勢標繪系統設計分析

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

態勢標繪系統廣泛應用于電力、通信和應急等多個行業和領域。一般的地理信息系統中都含有態勢標繪功能，它可以用形象生動的矢量符號描述各種業務對象，表示各種資源，還可以動態渲染業務進度和流程。一個性能比較好的態勢標繪系統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務的態勢圖，支持流暢的態勢演播功能。目前一般的標繪系統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態勢演播功能，根據這2個主要的業務需求，重新設計了態勢標繪系統。

1 標繪系統總體設計

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

1.1 總體需求

系統大體分為2個部分，資源標繪子系統和態勢演播子系統，資源標繪子系統主要實現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、旋轉以及拖動等效果。態勢演播子系統是為了滿足應急處置時的各種態勢圖的動態展現而設計的，主要功能包括態勢錄制、態勢播放、停止、暫停以及保存態勢文件、打開態勢文件、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

資源標繪子系統綜合考慮了資源管理和標繪系統的內在聯系，用矢量符號表示一類資源，以經緯度為關聯點，采用數據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資源的添加、修改及刪除等操作，同時合理規劃數據結構，使資源的維護支持動態添加，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。

態勢演播吸取了傳統態勢圖的經驗，將一張張態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的動態態勢，這樣原來的態勢圖就變成態勢視頻了，更生動，更符合調度實際，更具有時效性。將傳統的態勢圖變為態勢視頻形式，需要在標繪過程中錄制一幀幀的態勢圖，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，這樣就可以實現態勢演播效果了。

2 需要解決的問題

實際實現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勢文件太大不易傳輸的問題。

2.1 常規矢量標繪的延遲、閃爍問題

在一般指揮調度系統中，態勢標繪作為基礎功能在應急指揮調度中起著重要作用，尤其是在資源管理標繪系統中，各種單位、物資、行動路線和集結區域，經常布滿整個地圖，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常會發生延遲、閃爍等現象，大大影響了界面美觀和使用效率。

2.2 演練過程的態勢文件存儲問題

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勢想要動態貫穿整個演練過程，就比較復雜。比較傳統的方法是針對演練的不同階段繪制不同的演練態勢圖，當演練到達該步驟時將該態勢圖顯示到地圖上，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展現，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為態勢演練視頻了，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生的演播文件也越來越大，占用了巨大硬盤空間，給態勢文件的保存、傳輸帶來不便。

3 關鍵技術

3.1 矢量符號渲染方式改進

標繪系統主要是由矢量符號庫、繪制函數庫、繪制渲染邏輯和上層業務組成，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、旋轉和拖動等。常規的標繪流程設計如圖1所示，繪制邏輯根據選擇的符號調用矢量繪制函數，間接調用系統API來繪制到地圖句柄上，這種常規設計常用在小型標繪系統中，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主要是因為多次調用系統繪制函數，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，其中許多邏輯必須重復多次調用系統底層繪制接口，重復地申請系統資源，大量的計算對CPU也是巨大的考驗，再加上上層業務的頻繁調用，使得繪制渲染邏輯模塊成為渲染性能的瓶頸。考慮到矢量符號繪制函數比較多，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的性能。

為了消除閃爍和延遲現象，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的，傳統的繪圖方式實際上都是單緩沖，在Windows中每個設備都在內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存緩沖區，傳統的繪圖就是將圖形繪制到設備描述緩存區中，然后操作系統的圖形設備接口會自動將前端緩沖區數據拷貝到顯存中進行顯示。雙緩沖圖形刷新技術在內存中有2塊緩存，除了設備描述緩存區外，還需要手動建立一個和設備描述緩沖區兼容的后備緩沖區，在繪圖過程中先將圖形繪制到后備緩沖區中，然后再手動將后備緩沖區的圖像拷貝到前端緩沖區由系統自動繪制。這種雙緩沖技術能很好地避免閃爍現象［1］。

但是在GIS實際操作中，常常是多種行為并列執行，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實現的。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。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，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生大馬賽克，甚至整個圖形扭曲。

仔細研究后發現，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生沖突導致，在手動拷貝到前端緩沖區時加上鎖，完了再解鎖，并禁止背景刷新，這樣就產生了多緩沖繪圖，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，根據渲染邏輯不同采用多于 2個的后備緩沖位圖來繪制圖數據，按照渲染邏輯不同使用特定鎖機制來協調多個后備緩沖位圖依次拷貝到前端緩沖區，然后通過系統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，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據，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據組合而成，就是在繪制源位圖按照鎖機制拷貝到前端緩沖區。

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，而是使用內存拷貝方法BitBit，它支持圖形塊的數據復制，大大減少處理時間，消除了系統延遲［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 序列化存儲減少態勢文件大小

為了減少態勢文件［4］的大小，研究了矢量符號態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勢存儲轉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據格式序列化存儲起來，在顯示時再反序列化讀出來，再調用繪制邏輯重繪，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

具體實現流程如圖4所示。

圖4 態勢演播示意圖

TS文件中存放的是帶有時刻的一系列幀組合數據，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據，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延遲和閃爍現象，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增長，應急車的行進軌跡，疏散區域的顏色持續漸進變化等等一系列動畫效果實現起來更容易。如果沒有這種多緩沖機制，這種動畫效果會變得非常卡，并且閃爍現象很明顯。事實證明多緩沖機制能有效提升標繪系統的性能，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，經過實驗，圖片格式態勢文件和序列化態勢文件大小的比較數據如表1和表2所示。

表1 單幀大小對比結果

表2 十分鐘態勢文件大小對比結果

由表1和表2數據對比明顯得出:序列化存儲態勢演播文件可以極大程度降低文件所占存儲空間。以單幀表較數據為例，圖片和序列化格式大小對比為26:1，而以10 min態勢文件作對比，發現圖片和序列化格式大小對比為6 423:1，經過分析得知，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據中地圖相關數據占大部分，其實符號序列化屬性數據在單幀中所占空間微乎其微。由此可以得出:矢量符號態勢的序列化存儲方法，能有效降低態勢文件的大小。

有了這種存儲機制，在態勢推演過程中的態勢錄制、態勢存儲、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，經過實際演練效果檢驗，雙核1.8 GHz的CPU，2G內存配置XP系統中運行標繪演練系統，采用這種序列化機制存儲后，并沒有明顯地出現計算延遲，絲毫不影響顯示效果。綜上所述，這種存儲機制在這種態勢演練系統中是切實可行，方便有效的。

5 結束語

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

［1］張亮.基于雙緩沖技術的VC++圖形刷新技術的原理和實現［J］.福建電腦，2010(6)：110，137.

［2］劉同龍.動畫顯示中的雙緩沖技術［J］.電腦開發與應，1991，5(3)：53 －55.

［3］徐敬海，徐徐，聶高眾，等.基予GIS的地震應急態勢標繪技術研究［J］.武漢大學學報.信息科學版，2011，36(1)：66 －69.

［4］劉育新，王海清.通信對抗系統中態勢生成及分析方法的研究［J］.無線電工程，1998(3)：43 －46.

［5］史棟杰.五種快速序列化框架的性能比較［J］.電腦知識與技術，2010，9(34)：9710 －9711，9722.

［6］高立群，愈家文，丁俊松.NET Framework中序列化與反序列化方法的分析與應用［J］.微計算機應用，2007，11：1178 －1182.

［7］胡晨光，嚴捷豐，高正東，等.一種類的序列化與反序列化框架［J］.電腦知識與技術，2009，24：6739－6741.

［8］趙周.動態軍標符號的實現方法研究［J］.計算機工程與設計，2007，12(28)：3023 －3025.