移動室內(nèi)地圖圖形引擎的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

田江鵬，游　雄，賈奮勵(lì)，夏　青

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052)

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移動室內(nèi)地圖圖形引擎的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

田江鵬，游雄，賈奮勵(lì)，夏青

(信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052)

移動室內(nèi)地圖正處于快速發(fā)展時(shí)期，良好的圖形引擎是優(yōu)質(zhì)室內(nèi)地圖系統(tǒng)的必要基礎(chǔ)。本文在分析移動室內(nèi)地圖系統(tǒng)的技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種跨平臺、二三維統(tǒng)一、具有多交互技術(shù)的輕量級圖形引擎。重點(diǎn)分析了基于Skia的二維圖形內(nèi)核和基于OpenGL ES的三維圖形內(nèi)核；設(shè)計(jì)了一種“場景樹→繪制堆棧”的圖形加速方案，以提高引擎的繪圖效率；提出并實(shí)現(xiàn)了一種二三維統(tǒng)一的圖形交互方案，以及繪圖區(qū)的雙緩存設(shè)計(jì)，優(yōu)化了圖形引擎的用戶體驗(yàn)。

圖形引擎；移動室內(nèi)地圖；跨平臺；二三維一體化

室內(nèi)地圖一般指大型建筑的內(nèi)部地圖，與室外地圖相比，其關(guān)注的是小區(qū)域、大比例尺、高精度和精細(xì)化的內(nèi)部元素展現(xiàn)[1]。室內(nèi)地圖并不是一個(gè)新興的事物，其常見的形式是張貼在建筑物出入口、通道等顯著位置的，用于描述室內(nèi)建筑格局和室內(nèi)要素分布的地圖。隨著智能移動終端的普及、移動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以智能手機(jī)為代表的移動終端大有取代傳統(tǒng)電腦終端的趨勢，桌面應(yīng)用開始更多地向移動終端領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。移動浪潮[2]的到來，逐漸改變著人們的生活方式，地圖也正在發(fā)生著深刻的變化，位置服務(wù)及位置地圖[3]將成為室內(nèi)地圖乃至傳統(tǒng)地圖學(xué)進(jìn)一步發(fā)展的主陣地。

技術(shù)的發(fā)展賦予了室內(nèi)地圖全新的生命力，室內(nèi)地圖逐漸以一種位置地圖的形式走入大眾的眼前。關(guān)于移動室內(nèi)地圖的研究，學(xué)術(shù)界側(cè)重于其概念的探討[4-5]、認(rèn)知特點(diǎn)的分析[1，6-7]、室內(nèi)地圖的設(shè)計(jì)[8-9]、室內(nèi)位置地圖服務(wù)[10]等方面。而在商業(yè)開發(fā)與應(yīng)用角度，2011年11月，谷歌地圖6.0發(fā)布并推出了室內(nèi)地圖服務(wù)[11]。隨后出現(xiàn)了專注于商場購物服務(wù)的Aisle411、FastMall和Meridian等，專注于機(jī)場服務(wù)并已涵蓋全球重要機(jī)場的PointInside應(yīng)用等。國內(nèi)，典型的室內(nèi)地圖應(yīng)用包括百度室內(nèi)地圖、高德室內(nèi)地圖、點(diǎn)道室內(nèi)地圖等，還有一些與室內(nèi)地圖相關(guān)的服務(wù)商和應(yīng)用，如圖淵、尋鹿、積米等。可以看出，隨著位置服務(wù)和移動計(jì)算的成熟，各大地圖廠商爭先搶占移動室內(nèi)地圖這一發(fā)展先機(jī)。

雖然技術(shù)和市場的巨大推動力使得室內(nèi)地圖應(yīng)用服務(wù)得到了快速發(fā)展，但仍需從理論和技術(shù)層面，對移動室內(nèi)地圖進(jìn)行更為深入的、系統(tǒng)化的探討。特別是對于移動室內(nèi)地圖的圖形引擎而言，相關(guān)探討的文獻(xiàn)十分有限[12-13]。而圖形引擎又是一個(gè)電子地圖系統(tǒng)必須考慮的重要基礎(chǔ)組件之一，負(fù)責(zé)場景數(shù)據(jù)的組織、圖形快速繪制、交互行為的響應(yīng)等，其設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響著整個(gè)地圖系統(tǒng)的運(yùn)行效率和用戶體驗(yàn)。因此，本文以移動終端環(huán)境下、面向移動室內(nèi)地圖制圖的、跨平臺輕量級圖形引擎為研究對象，探討移動地圖圖形引擎的設(shè)計(jì)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

一、圖形引擎設(shè)計(jì)

1. 移動室內(nèi)地圖的技術(shù)需求

1) 跨平臺。由于移動終端使用的操作系統(tǒng)具有多樣化特征，主流的iOS、Android、WinPhone等開發(fā)環(huán)境和開發(fā)語言不盡相同，通常導(dǎo)致了同一個(gè)地圖應(yīng)用需開發(fā)不同源碼版本，造成研發(fā)資源浪費(fèi)。因此，需采用跨平臺技術(shù)，封裝操作系統(tǒng)的特殊性，并采用跨平臺的語言編寫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和圖形渲染的主體邏輯。

2) 輕量級和快速渲染。由于移動終端處理器速度和計(jì)算能力較弱，因此移動端地圖系統(tǒng)一般都具有輕量級特征，這也導(dǎo)致了圖形引擎必須是輕量級的，以實(shí)現(xiàn)快速渲染為目的。因此，使用QT[14]或OSG[15]等圖形庫，通常需要進(jìn)行功能的縮減，以節(jié)約有限的移動端處理器計(jì)算資源。

3) 多交互技術(shù)。移動終端主要是基于多點(diǎn)觸控屏進(jìn)行交互的，因此交互方式和方法有別于PC端的鼠標(biāo)和鍵盤。同時(shí)，移動地圖是以用圖者為中心的，用戶通常希望能夠?qū)⒌貓D“倒下”或與當(dāng)前視線方向保持一致，這就要求圖形引擎能適應(yīng)多種交互方式。

4) 二三維一體化。二維地圖通常表達(dá)抽象的現(xiàn)實(shí)世界，而三維地圖通常更為形象直觀，二三維室內(nèi)地圖表達(dá)相結(jié)合，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。因此，室內(nèi)地圖及其圖形引擎設(shè)計(jì)需顧及二三維一體化特征。

2. 跨平臺開發(fā)路線

根據(jù)技術(shù)需求，采用基于標(biāo)準(zhǔn)C++語言的開發(fā)路線。即盡可能地采用平臺無關(guān)的代碼編寫軟件模塊，同時(shí)限定與操作系統(tǒng)平臺相關(guān)的代碼規(guī)模至最小，保證同一套核心邏輯的源碼在不同平臺上編譯后運(yùn)行。通過分析Windows下的*.vcxproj工程文件、Android下的*.mk工程文件和iOS下的*.xcodeproj等工程文件的相似性，構(gòu)建了不同操作系統(tǒng)下的統(tǒng)一工程開發(fā)的模式，實(shí)現(xiàn)了同一套源代碼在不同操作系統(tǒng)環(huán)境下的軟件編譯和開發(fā)。

以*.mk工程組織模式為例，工程和代碼的組織邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過MK文件的級聯(lián)管理，使得每一個(gè)對象模塊均組織在同一個(gè)工程文件夾下，在同一個(gè)工程中實(shí)現(xiàn)對各個(gè)模塊的編譯和聯(lián)調(diào)聯(lián)試、共享和編輯同一套源碼文件。

3. 圖形引擎架構(gòu)

通過分析主流二維和三維圖形引擎的設(shè)計(jì)，本文采用“視圖→場景→繪制體→圖形屬性”4個(gè)層次為設(shè)計(jì)原則，構(gòu)建移動室內(nèi)地圖圖形引擎。

(1) 視圖(View)

圖形引擎的頂層管理者，負(fù)責(zé)以下內(nèi)容：①視圖的創(chuàng)建與管理；②不同操作系統(tǒng)平臺的圖形設(shè)備(Device Context)封裝；③二三維攝像機(jī)(Camera)和視圖操縱器(Manipulator)的關(guān)聯(lián)；④人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與交互處理；⑤外部輸入交互消息的處理及圖形引擎內(nèi)部消息(Message)循環(huán)；⑥圖形渲染緩存區(qū)(DrawBuffer)的交換機(jī)制；⑦繪制線程管理和線程池的維護(hù)。

(2) 場景圖(Scene Graph)

為地圖場景數(shù)據(jù)的有效組織和管理提供接口，主要包括組節(jié)點(diǎn)(GroupNode)、圖形操作節(jié)點(diǎn)(OperaNode)、對象節(jié)點(diǎn)(ObjectNode)，負(fù)責(zé)以下內(nèi)容：①不同類型場景節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建與維護(hù)；②節(jié)點(diǎn)的遍歷與訪問方法；③場景樹的更新與維護(hù)。

(3) 繪制對象

提供不同類型的圖形繪制對象，如幾何體(點(diǎn)、線段、弧線、路徑等)、圖像、文本等。

(4) 圖形屬性

為繪制體提供了顏色、粗細(xì)、反走樣、特效等狀態(tài)屬性信息的描述。

圖形引擎的架構(gòu)如圖2所示，主要由兩個(gè)層次組成。組件層次通過組件注冊的方式，提供二維(ComDrawEngine)或三維(ComRenderEngine)的圖形繪制服務(wù)組件。內(nèi)核層次主要包括二維繪圖內(nèi)核(DrawCore)和三維渲染內(nèi)核(RenderCore)，圖形引擎分別采取Skia作為二維圖形繪圖驅(qū)動、OpenGL ES作為三維圖形渲染驅(qū)動；同時(shí)，圖形引擎采用統(tǒng)一的交互操縱方式，即通過統(tǒng)一的操縱器(Manipulator)產(chǎn)生模型視圖矩陣，并提交二三維各自的相機(jī)(Camera)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)二三維統(tǒng)一的圖形操縱。

圖2　移動室內(nèi)地圖圖形引擎的架構(gòu)

二、圖形引擎的關(guān)鍵技術(shù)

1. 基于Skia的二維圖形繪圖內(nèi)核

Skia是一個(gè)二維向量圖形處理的圖形驅(qū)動，用于谷歌瀏覽器、Android圖形驅(qū)動等，具有適用移動端、功能豐富、基于OpenGL的加速等特征。基于Skia的二維圖形繪圖內(nèi)核接口模型的UML設(shè)計(jì)如圖3所示，主要包括5個(gè)部分：基本屬性接口部分、高級特效接口部分、繪圖對象接口部分、圖形節(jié)點(diǎn)組織接口部分及視圖部分。繪圖對象和基本屬性接口能夠用于構(gòu)建任意地圖制圖需求的圖形及其繪制形式。高級特效提供了繪圖對象影音、光照、模糊等特殊效果形式，特效繪制方法特別適用于室內(nèi)地圖制圖。圖形節(jié)點(diǎn)通過圖形對象節(jié)點(diǎn)(ObjectNode)和組節(jié)點(diǎn)(GroupNode)，能夠?qū)⑺枰L制的地圖數(shù)據(jù)按照一棵“場景樹[15]”的形式進(jìn)行組織。場景圖組織圖形數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，常見于三維圖形引擎設(shè)計(jì)。本文使用場景圖技術(shù)組織二維圖形數(shù)據(jù)，不僅有利于二三維圖形內(nèi)核的統(tǒng)一，也為后續(xù)的制圖引擎效率優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

圖3　基于Skia的二維圖形繪圖內(nèi)核接口模型

2. 基于OpenGL ES的三維圖形渲染內(nèi)核

三維圖形引擎方面，主要借鑒OSG設(shè)計(jì)的核心思想，基于OpenGL ES三維圖形驅(qū)動，設(shè)計(jì)了三維圖形渲染內(nèi)核，其設(shè)計(jì)如圖4所示。主要包括以下4個(gè)部分：

1) 狀態(tài)集(StateSet)：封裝OpenGL ES的狀態(tài)及OpenGL狀態(tài)機(jī)。

2) 可繪制體(Drawable)：封裝了OpenGL ES可繪制幾何類型，主要為矢量數(shù)據(jù)類型、像素?cái)?shù)據(jù)類型、文字?jǐn)?shù)據(jù)類型，以及三者的組合。

3) 圖形節(jié)點(diǎn)(Node)：移植了OSG的基本設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)三維繪制數(shù)據(jù)的組織。三維圖形內(nèi)核和二維圖形內(nèi)核在圖形節(jié)點(diǎn)組織方面，公用一套接口，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不同；這一設(shè)計(jì)有利于上層制圖系統(tǒng)中圖形組織的統(tǒng)一。

4) 視景(Viewer)：封裝了繪圖所需的視圖。

在移動終端上，OpenGL ES分為兩個(gè)版本，其主要差別在于使用GLSL著色語言版本的不同，三維圖形渲染內(nèi)核采用了更為快速的GLES2版本驅(qū)動。

圖4　基于OpenGL ES的三維圖形渲染設(shè)計(jì)

3. “場景樹→繪制堆棧”的圖形引擎加速

為了加速圖形繪圖速度，圖形引擎內(nèi)部對繪制數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖形引擎的加速繪制設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　多線程“場景圖→繪制堆棧”圖形加速技術(shù)

1) 使用多線程技術(shù)，使得Skia/OpenGL ES的圖形接口被封裝在一個(gè)繪制管線中，此時(shí)對于基于“場景圖”組織的繪圖數(shù)據(jù)，可以在渲染管線中進(jìn)行批量繪圖處理，從而加速繪圖效率。

2) 使用了“場景圖→繪制堆棧”的轉(zhuǎn)換機(jī)制，節(jié)點(diǎn)排序回調(diào)能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)的繪圖對象及其屬性信息，對繪圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和排序，形成繪制數(shù)據(jù)堆棧。繪制堆棧在每一幀的刷新過程中提交繪制管線的繪制器進(jìn)行圖形繪圖。

3) 使用了多線程技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)排序回調(diào)、繪制數(shù)據(jù)堆棧及繪制管線分別封裝在獨(dú)立的線程中，并通過有效的線程互斥和線程安全保護(hù)，實(shí)現(xiàn)移動端處理器計(jì)算資源的有效利用，提高了室內(nèi)地圖圖形引擎的效率。

4. 統(tǒng)一的圖形操縱與實(shí)現(xiàn)

Skia提供了繪圖時(shí)進(jìn)行矩陣變換的接口，使得對二維圖形的操作可以與OpenGL ES的操作方式進(jìn)行統(tǒng)一。假設(shè)有世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Cworld，如為經(jīng)緯度坐標(biāo)(L,B,H)；定義矩陣Mview表示攝像機(jī)的觀察矩陣(view matrix)，即把對象從世界坐標(biāo)系變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系；則觀察矩陣可以將世界坐標(biāo)系坐標(biāo)Cworld變換為攝像機(jī)相對坐標(biāo)系坐標(biāo)Clocal

Clocal=Cworld×Mview

定義投影矩陣Mproj(project matrix)，用于設(shè)置攝像機(jī)的拍攝參數(shù)，即創(chuàng)建了一個(gè)視錐體(Frustum)，并將包含在其中的場景對象投影到鏡頭平面上來。用Cproj表示投影后的坐標(biāo)，則

Cproj=Clocal×Mproj

定義視口矩陣Mwnd(window matrix)，其主要功能是把投影坐標(biāo)變換到指定的二維視口中去，則最終的窗口坐標(biāo)Cwnd為

Cwnd=Cproj×Mwnd

因此，定義Mvpw=Mview×Mproj×Mwnd，則一個(gè)世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與其在屏幕上的坐標(biāo)就可以通過以下公式進(jìn)行可逆計(jì)算

根據(jù)上述原理，本文設(shè)計(jì)了圖形操作機(jī)制，如圖6所示。在圖形引擎中，攝像機(jī)Camera負(fù)責(zé)維護(hù)3個(gè)矩陣：wndMatrix記錄了視口變化的數(shù)值；projMatrix記錄了Camera投影參數(shù)的數(shù)據(jù)；viewMatrix為視圖矩陣，記錄了用戶對Camera視點(diǎn)操作的數(shù)據(jù)。

用戶交互事件產(chǎn)生的平移、旋轉(zhuǎn)等參數(shù)，通過Manipulator轉(zhuǎn)換為一個(gè)臨時(shí)的視圖矩陣，并通過該矩陣級聯(lián)至viewMatrix并修正。操縱器Manipulator通過回調(diào)接口的方式向用戶提供響應(yīng)的方式，用戶只需重載回調(diào)函數(shù)即可完成交互事件的響應(yīng)。如此，就可以用統(tǒng)一接口接收多點(diǎn)觸控手勢、筆、屏幕鍵盤等交互方式的交互事件。

5. 繪圖數(shù)據(jù)的雙緩存設(shè)計(jì)

雙緩存設(shè)計(jì)主要用于改善二維圖形繪圖內(nèi)核的用戶感受效果。由于繪圖數(shù)據(jù)量、是否開啟特效、是否開啟反走樣、移動端在線等待數(shù)據(jù)下載等多種因素約束，直接繪制在設(shè)備緩存區(qū)的方法會導(dǎo)致地圖“卡頓”的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響室內(nèi)地圖的使用體驗(yàn)效果。針對這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種繪圖數(shù)據(jù)的雙緩存技術(shù)，其基本原理如圖7所示。

圖7　繪圖數(shù)據(jù)的雙緩存原理

根據(jù)顯示設(shè)備緩存的基本參數(shù)，構(gòu)建了FrontBuffer和BackBuffer兩個(gè)像素緩存區(qū)。其中，BackBuffer位于繪制管線線程中，為繪制器提供一個(gè)畫板，將繪制數(shù)據(jù)堆棧中的數(shù)據(jù)渲染在該緩存上。FrontBuffer緩存區(qū)位于繪制管線線程外，負(fù)責(zé)緩存已經(jīng)繪制完整的地圖幀。在緩存交換控制下，只有BackBuffer繪制工作完成后，繪制管線線程解除鎖定，前后緩存交換。由于FrontBuffer緩存了已經(jīng)繪制好的地圖幀，使得用戶與制圖系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互時(shí)，設(shè)備屏幕上顯示的地圖只需從FrontBuffer直接拷貝，極大地提高了地圖顯示的效率，避免了地圖顯示時(shí)的“卡頓”現(xiàn)象。同時(shí)，由于雙緩存機(jī)制是圖形引擎內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，與顯卡和硬件無關(guān)，這一特點(diǎn)對于型號多樣化的嵌入式平臺和移動終端而言，具有一定的硬件無關(guān)性優(yōu)勢。

三、圖形引擎在室內(nèi)地圖制圖中的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的移動室內(nèi)地圖圖形引擎，已經(jīng)在主流的移動操作系統(tǒng)(已經(jīng)測試的有Android4.2、iOS7和WindowsPhone8)及PC操作系統(tǒng)(Windows7、Ubantu12和MacOSX10)上進(jìn)行了室內(nèi)地圖制圖應(yīng)用。圖8顯示了在Android系統(tǒng)上的二三維室內(nèi)制圖效果圖，該圖也展現(xiàn)了在統(tǒng)一的操縱器控制下，二三維室內(nèi)地圖交互和表達(dá)的統(tǒng)一。

圖9顯示了使用本文圖形引擎得到的不同室內(nèi)地圖的制圖效果，包括二三維單樓層的表達(dá)效果和多樓層的表達(dá)效果。通過統(tǒng)一的圖形操縱器，能夠?qū)崿F(xiàn)二維室內(nèi)地圖的偽三維表達(dá)，這一特點(diǎn)在室內(nèi)地圖多樓層切換、多樓層疊加統(tǒng)一表達(dá)方面具有顯著的優(yōu)勢。

圖8　圖形引擎在Android系統(tǒng)上的二三維應(yīng)用效果

圖9　圖形引擎在室內(nèi)地圖表達(dá)中的綜合應(yīng)用

四、結(jié)束語

目前，移動室內(nèi)地圖正處于快速發(fā)展時(shí)期，良好的圖形引擎是優(yōu)質(zhì)室內(nèi)地圖系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，因此圖形引擎的研究具有重要意義。本文分析了室內(nèi)地圖圖形引擎構(gòu)建的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)了具有跨平臺特征、二三維統(tǒng)一、具有多交互技術(shù)的輕量級圖形引擎；分析了基于Skia的二維圖形內(nèi)核和基于OpenGLES的三維圖形內(nèi)核；設(shè)計(jì)了一種“場景樹→繪制堆棧”的圖形加速方案，以提高引擎的繪圖效率；通過統(tǒng)一的圖形交互設(shè)計(jì)，以及繪圖區(qū)的雙緩存設(shè)計(jì)，優(yōu)化了圖形引擎的用戶體驗(yàn)。圖形引擎的繪制效率和用戶交互體驗(yàn)，是有待于進(jìn)一步研究并提高的問題。

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2015-12-10

國家863計(jì)劃(2013AA12A202)；國家自然科學(xué)基金(41271393；41371382)

田江鵬(1987—)，男，博士生，研究方向?yàn)榈貓D制圖學(xué)與地理信息工程。E-mail：tjpeng2011@163.com

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0494-0911(2016)10-0045-06