基于Visual C++的聲信號(hào)分析系統(tǒng)圖形顯示界面問(wèn)題的研究*

曹　琳　彭　圓　張風(fēng)珍　陳軍鋒　韓　輝　吳鳳艷

(水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　大連　116013)

基于Visual C++的聲信號(hào)分析系統(tǒng)圖形顯示界面問(wèn)題的研究*

曹琳彭圓張風(fēng)珍陳軍鋒韓輝吳鳳艷

(水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大連116013)

摘要論文介紹了在Visual C++平臺(tái)下的聲信號(hào)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)波形圖、聲譜圖和直方圖的快速繪制方法。采用雙緩沖顯示技術(shù)解決了大數(shù)據(jù)量繪圖時(shí)界面響應(yīng)速度慢和刷新時(shí)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象的問(wèn)題。通過(guò)雙緩沖技術(shù)等措施，提高了顯示速度，克服了界面閃爍。

關(guān)鍵詞雙緩沖; Visual C++; 閃爍

Class NumberTP391

1引言

一個(gè)聲信號(hào)分析系統(tǒng)的編制過(guò)程整體分為：聲音采集錄制、數(shù)據(jù)的分析處理、聲音的圖形顯示、聲音播放。其中聲音的圖形顯示是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，市面上及網(wǎng)絡(luò)上有很多可供Visual C++調(diào)用的曲線顯示類(lèi)或控件，如圖表類(lèi)控件MSChart等。但這些類(lèi)或控件要么由于針對(duì)性不強(qiáng)，要么功能較簡(jiǎn)單，難以滿足本軟件的需求，如大數(shù)據(jù)量波形的快速實(shí)時(shí)顯示、聲譜圖實(shí)時(shí)顯示、1/3倍頻程直方圖。由于數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)量大，其接收、處理、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)波形顯示都很費(fèi)時(shí)，如果直接在屏幕上動(dòng)態(tài)繪圖的話，會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。而圖形顯示的閃爍問(wèn)題容易給操作人員帶來(lái)讀數(shù)的不準(zhǔn)確和判斷失誤。因此研究圖形刷新帶來(lái)屏幕閃爍問(wèn)題對(duì)聲信號(hào)分析系統(tǒng)的研發(fā)有著一定的必要性。針對(duì)上述情況，本文通過(guò)查閱相關(guān)資料進(jìn)行了聲信號(hào)分析系統(tǒng)圖形顯示界面的設(shè)計(jì)。

2圖形閃爍問(wèn)題分析及解決方法

在圖形連續(xù)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，當(dāng)屏幕由一個(gè)畫(huà)面變化為另一個(gè)畫(huà)面時(shí)，首先將原來(lái)的背景擦除，接著將新的圖形繪制在顯示區(qū)域。由于顯示背景不斷擦除和繪制圖形所用的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)閃爍。為解決這個(gè)問(wèn)題，本文采用雙緩沖顯示技術(shù)[2]。基本步驟為：定義CBitmap對(duì)象；獲得設(shè)備環(huán)境DC；創(chuàng)建與指定的DC兼容的內(nèi)存設(shè)備環(huán)境；初始化位圖對(duì)象，使其與指定的設(shè)備環(huán)境兼容；將位圖選入設(shè)備，并繪制到窗口上。這樣就不必擦除背景，并且在圖形繪制在屏幕之前，已經(jīng)將圖形繪制在位圖中，然后直接復(fù)制到屏幕上，跳過(guò)了在屏幕上直接繪圖時(shí)間和背景擦除。圖1為雙緩沖顯示技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。圖2為沒(méi)有使用雙緩沖技術(shù)的波形圖，系統(tǒng)繪圖過(guò)程非常緩慢，且圖形會(huì)閃爍，整個(gè)窗口繪圖過(guò)程時(shí)間為21s。圖3為使用雙緩沖技術(shù)繪制的波形圖，可以看到繪圖時(shí)間為7s，速度提高了三倍。實(shí)踐證明，這樣繪制出來(lái)的圖形更流暢，可以有效解決圖形繪制時(shí)的屏幕閃爍問(wèn)題。

圖1　雙緩沖繪圖實(shí)現(xiàn)流程

圖2　沒(méi)有使用雙緩沖技術(shù)繪圖的效果

圖3　使用雙緩沖技術(shù)繪圖的效果

3動(dòng)態(tài)圖形繪制方法

3.1實(shí)時(shí)曲線顯示

在計(jì)算機(jī)上像示波器那樣連續(xù)動(dòng)態(tài)地顯示曲線是比較復(fù)雜和困難的，由于計(jì)算機(jī)不斷地接收來(lái)自聲卡的數(shù)據(jù)，所以曲線不可能在有限的顯示屏中一次性地全部顯示出來(lái)，曲線只能以動(dòng)態(tài)的形式顯示，而且每一時(shí)刻可以看到的都應(yīng)該是最近剛接收到的n個(gè)數(shù)據(jù)所畫(huà)出來(lái)的曲線。本系統(tǒng)使用MoveTo、LineTo繪圖指令，采用滾動(dòng)顯示的方法實(shí)現(xiàn)了曲線的動(dòng)態(tài)顯示。首先信號(hào)自左向右顯示，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)等于窗口的寬度時(shí)，顯示的信號(hào)開(kāi)始向左移動(dòng)，最左端的點(diǎn)消失，最新的采樣點(diǎn)顯示在窗口的最右端，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連續(xù)顯示，圖4為某一段時(shí)間的實(shí)時(shí)曲線圖。

圖4　實(shí)時(shí)曲線

由于顯示控件的分辨率是有限的，這就決定對(duì)大量數(shù)據(jù)顯示時(shí)，會(huì)存在重疊和視覺(jué)無(wú)法分辨的情況。此外，繪圖指令MoveTo和LineTo所消耗的時(shí)間遠(yuǎn)大于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度。如果不加處理直接調(diào)用繪圖指令MoveTo、LineTo進(jìn)行繪制，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)量較大時(shí)，顯示器的顯示速度就會(huì)變得越來(lái)越慢，這是難以忍受的。為了加速大數(shù)據(jù)量圖形實(shí)時(shí)顯示的速度，就必然要減少繪圖指令的調(diào)用次數(shù)。通過(guò)仔細(xì)分析可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于顯示控件窗口的寬度時(shí)，控件窗口每一個(gè)橫坐標(biāo)像素位置上有許多數(shù)據(jù)點(diǎn)的重疊繪制過(guò)程，這些重復(fù)的繪制過(guò)程對(duì)波形顯示效果影響不大，曲線的外形主要由同一個(gè)橫坐標(biāo)像素位置重疊點(diǎn)的最大值和最小值決定。 如圖5所示，對(duì)于500*320的區(qū)域，顯示波形數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為3000，那么如圖5(a)所示的六點(diǎn)顯示的實(shí)際效果如圖5(b),它和圖5(c)是一致的。但圖5(b)卻畫(huà)了五條線，而圖5(c)只畫(huà)了一條線，只是將最大值和最小值連接起來(lái)。繪圖指令變?yōu)榱松倭康谋容^運(yùn)算，從而可以成倍提高繪圖速度。通過(guò)表1不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的兩種方法所需時(shí)間的比較，說(shuō)明在繪制過(guò)程中，多點(diǎn)構(gòu)成的多條線段，由最小值-最大值線段代替的方法優(yōu)化了軟件，減少了不必要的運(yùn)算處理，提高了顯示速度[1]。

圖5　不同繪圖方式的比較

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度直接算法/ms新方法/ms數(shù)據(jù)長(zhǎng)度直接算法/ms新方法/ms7000.10.17K100.170K10010700K1092505M9000284

3.2聲譜圖實(shí)時(shí)顯示

通過(guò)查閱資料并在SourceForge網(wǎng)站下載了有關(guān)繪制聲譜圖的源代碼進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)聲譜圖繪制的關(guān)鍵是顏色過(guò)渡映射表的實(shí)現(xiàn)[1]，可以參考Matlab中colormap的原理建立顏色過(guò)渡映射表：顏色由弱到強(qiáng)進(jìn)行量化，每一個(gè)顏色對(duì)應(yīng)一個(gè)強(qiáng)度的數(shù)值。這樣每個(gè)點(diǎn)的顏色都確定了，就能得到聲譜圖。圖6是Jet色彩過(guò)渡模型。其整個(gè)色彩過(guò)渡由五段線性過(guò)渡組合而成。圖7是通過(guò)麥克風(fēng)采集的數(shù)據(jù)繪制的實(shí)時(shí)聲譜圖。

圖6　Jet 色彩過(guò)渡模型

圖7　聲譜圖

3.3直方圖動(dòng)態(tài)顯示

直方圖的圖形基元為長(zhǎng)方形。可以描繪一個(gè)條形圖，每一個(gè)條表示不同的頻帶，而條的高度代表能量。本系統(tǒng)最初使用Rectangle函數(shù)[8]實(shí)現(xiàn)直方圖的繪制，效果如圖8所示。雖然達(dá)到了動(dòng)態(tài)顯示效果，但是圖形顯示不夠清晰、直觀。通過(guò)仔細(xì)研究后，采用如下方案對(duì)程序進(jìn)行調(diào)整。首先，根據(jù)1/3倍頻程數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)條形的高度，然后設(shè)置紅色、藍(lán)色、綠色三種顏色畫(huà)刷。最后，定義m_nHighLevel=80和m_nMediumLevel=60兩個(gè)整形變量。將頻帶能量與m_nHighLevel和m_nMediumLevel進(jìn)行比較，當(dāng)能量高于80分貝時(shí)，使用紅色畫(huà)刷來(lái)填充條形圖，當(dāng)能量高于60分貝時(shí)使用綠色畫(huà)刷來(lái)填充，否則使用藍(lán)色畫(huà)刷來(lái)填充。如圖9所示，紅色、藍(lán)色、綠色三種色條的動(dòng)態(tài)變化反映不同頻帶能量的變化情況。實(shí)際應(yīng)用表明此種繪制方法可令用戶迅速地做出判斷，視覺(jué)效果好。

圖8　修改前1/3倍頻程圖

圖9　改進(jìn)后1/3倍頻程圖

4結(jié)論

本文以Visual C++為平臺(tái)，根據(jù)專(zhuān)業(yè)需求實(shí)現(xiàn)了波形圖、聲譜圖、1/3倍頻程圖的繪制。采用位圖雙緩沖技術(shù)消除了屏幕閃爍和提高了顯示速度，圓滿完成圖形的動(dòng)態(tài)顯示任務(wù)，并在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了較好的顯示效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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Problem of Graphic Display Interface in Acoustic Data-sampling System Based on Visual C++

CAO LinPENG YuanZHANG FengzhenCHEN JunfengHUA HuiWU Fengyan

(Science and Technology on Underwater Test and Control Laboratory, Dalian116013)

AbstractFast mapping methods of real-time oscillogram, spectrogram and histogram of acoustic data-sampling system in Visual C++ is introduced in this paper. Slow interface response speed and flashing screen and the display speed increasement and interface flash avoiding are achieved by double buffering technology.

Key Wordsdouble-buffering, Visual C++, flashing

*收稿日期：2015年12月11日,修回日期：2016年1月27日

作者簡(jiǎn)介：曹琳,女,碩士研究生,助理工程師，研究方向：水聲信號(hào)與信息處理。

中圖分類(lèi)號(hào)TP391

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.021