基于改進(jìn)三層緩沖技術(shù)的大圖片處理*

馮偉桓,王茂芝,曾穎超

(成都理工大學(xué)數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

1 引言

為解決Windows桌面系統(tǒng)圖片操作時(shí)界面重繪導(dǎo)致的閃屏從而極大降低用戶體驗(yàn)的問(wèn)題，出現(xiàn)了以下圖片處理技術(shù)：(1)雙緩沖技術(shù)[1]。其原理是在內(nèi)存中開(kāi)辟一塊與顯示設(shè)備環(huán)境相兼容的內(nèi)存區(qū)域，將處理及繪制圖片等相對(duì)耗時(shí)的操作放在內(nèi)存區(qū)域中，即先在內(nèi)存區(qū)域中處理及繪制圖片，然后將繪制完成的圖形通過(guò)位塊傳輸法[1]拷貝到真正的顯示設(shè)備環(huán)境輸出。基于該原理的圖形處理技術(shù)，對(duì)于避免閃屏有非常明顯的效果，并且編程較為簡(jiǎn)單。雙緩沖技術(shù)的加速原理是利用內(nèi)存繪圖操作的高速性[2]，從而解決界面閃屏的現(xiàn)象。但是，在實(shí)際使用雙緩沖技術(shù)繪圖過(guò)程中，出現(xiàn)的另一個(gè)費(fèi)時(shí)環(huán)節(jié)是在內(nèi)存兼容位圖和圖形顯示設(shè)備位圖格式之間的轉(zhuǎn)換。為了解決這個(gè)問(wèn)題，從雙緩沖技術(shù)又衍生出了緩存位圖技術(shù)[3]。(2) 緩存位圖技術(shù)[4]。緩存位圖技術(shù)通過(guò)使用GDI+(Graphics Device Interface Plus)圖形設(shè)備接口提供的CachedBitmap類[5]，創(chuàng)建一個(gè)使用特定圖形輸出設(shè)備格式來(lái)存儲(chǔ)指定位圖數(shù)據(jù)的緩存位圖對(duì)象，從而節(jié)省格式轉(zhuǎn)換的時(shí)間[5]。(3)圖像分塊處理技術(shù)[6]。圖像分塊處理技術(shù)中最常用的是九宮格圖像分塊技術(shù)[7]，其原理是：先將大圖片分割為相同寬高的九小塊，然后再按照需要分別顯示圖像的一塊或者幾塊，從而把顯示大圖片的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為顯示小圖片，在根源上解決界面重繪導(dǎo)致的閃屏問(wèn)題[7]。然而，這樣的技術(shù)應(yīng)用十分有限，只適用于不需要完整顯示大圖片的情形[8]。如電子地圖、海洋遙感影像，用戶在特定的時(shí)間，只關(guān)心地圖或影像中的一部分[8]，即在特定的時(shí)間，顯示相應(yīng)的圖片分塊。

上述三種典型的圖片處理技術(shù)在處理小型圖片時(shí)都可以取得不錯(cuò)的效果。其中圖像分塊處理技術(shù)在電子地圖和海洋遙感影像等領(lǐng)域也能較完善地解決界面重繪導(dǎo)致的閃屏問(wèn)題。但是，在其它領(lǐng)域處理大圖片或圖像的時(shí)候，直接應(yīng)用圖像分塊處理技術(shù)處理大圖片或圖像則無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。而使用雙緩沖技術(shù)和緩存位圖技術(shù)又會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：(1)由于圖片規(guī)模較大，導(dǎo)致創(chuàng)建與顯示設(shè)備環(huán)境兼容的位圖不能清楚地顯示圖片的每一個(gè)細(xì)節(jié)；(2)在使用雙緩沖繪圖時(shí)，每次重繪都要將所有處理指令執(zhí)行一遍，對(duì)于大圖片時(shí)耗太大[9,10]。為此國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)的竇強(qiáng)、周興銘及武漢科技大學(xué)的張哲源等人在雙緩沖的基礎(chǔ)上研究了多層緩沖條件下的消息最大響應(yīng)時(shí)間[11]，提出多層緩沖技術(shù)構(gòu)想，衍生出目前應(yīng)用較為廣泛的三層緩沖技術(shù)[12]，在一定程度上解決了軟件層面因顯示和操作大圖片而引發(fā)的閃屏和系統(tǒng)阻塞等問(wèn)題。

然而，現(xiàn)有傳統(tǒng)的三層緩沖技術(shù)主要針對(duì)繪圖指令過(guò)于復(fù)雜時(shí)只使用雙緩沖技術(shù)無(wú)法滿足需求的情況，因而在雙緩沖的基礎(chǔ)上再添加一層內(nèi)存緩沖，并借此避免出現(xiàn)閃屏的現(xiàn)象[10]。但是，該技術(shù)添加的內(nèi)存緩沖都是與顯示設(shè)備兼容的，并且，對(duì)于每次界面重繪，該技術(shù)仍需要將所有處理指令重新執(zhí)行一遍，在重繪大圖片的時(shí)候仍會(huì)消耗大量的時(shí)間，造成系統(tǒng)出現(xiàn)阻塞。因此，傳統(tǒng)的三層緩沖技術(shù)已無(wú)法滿足大圖片處理需求。本文提出使用改進(jìn)的三層緩沖技術(shù)來(lái)處理和顯示大圖片。

2 改進(jìn)三層緩沖技術(shù)

2.1 算法原理

傳統(tǒng)的三層緩沖技術(shù)處理和顯示大圖片的主要問(wèn)題在于界面重繪時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)阻塞，其原因是在載入大圖片的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯的耗時(shí)過(guò)程[4]，而在界面重繪的時(shí)候，傳統(tǒng)的三層緩沖會(huì)將所有的指令重新執(zhí)行一遍。本文提出的改進(jìn)三層緩沖技術(shù)算法原理是：在內(nèi)存中開(kāi)辟一塊與大圖片屬性相兼容的內(nèi)存區(qū)域，用于存放大圖片數(shù)據(jù)；然后再在內(nèi)存中開(kāi)辟另一塊與顯示設(shè)備環(huán)境相兼容的內(nèi)存區(qū)域，用于執(zhí)行其它的圖形處理指令；最后通過(guò)位塊傳輸法[1]將內(nèi)存中的圖形依次拷貝到真正的顯示設(shè)備環(huán)境輸出。改進(jìn)的三層緩沖技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的差異體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)需要分別創(chuàng)建與大圖片屬性相兼容的內(nèi)存區(qū)域和與顯示設(shè)備環(huán)境相兼容的內(nèi)存區(qū)域；(2)在大圖片輸出完成之后僅僅釋放與顯示設(shè)備環(huán)境相兼容的內(nèi)存區(qū)域，保留與圖片屬性相兼容的內(nèi)存區(qū)域；(3)界面需要重繪時(shí)，直接使用之前保存的與圖片屬性兼容的內(nèi)存區(qū)域，避免重新載入圖片，從而解決系統(tǒng)阻塞問(wèn)題。

2.2 算法模型

根據(jù)上述算法原理，本文提出改進(jìn)三層緩沖技術(shù)，該技術(shù)在首次載入大圖片時(shí)的算法模型如圖1所示。其中，第一層緩沖將大圖片載入到與大圖片相兼容的內(nèi)存位圖中，該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定耗時(shí)。第二層緩沖將大圖片兼容的內(nèi)存位圖轉(zhuǎn)換到與顯示設(shè)備相兼容的內(nèi)存位圖中，并且讓其它繪圖指令直接在該位圖上執(zhí)行。這層緩沖的功能與雙緩沖的內(nèi)存位圖功能類似。第三層緩沖將內(nèi)存中的圖像按照指定的縮放級(jí)別顯示到屏幕上。

Figure 1 First loaded model of the improved three level buffers technology圖1 改進(jìn)三層緩沖技術(shù)首次載入模型

改進(jìn)三層緩沖技術(shù)在界面重繪時(shí)的算法模型如圖2所示。圖2中第一層和第二層緩沖分別對(duì)應(yīng)首次載入模型圖1中的第二層和第三層緩沖，也就是說(shuō)，改進(jìn)的三層緩沖技術(shù)在界面重繪時(shí)只需兩層(而非三層)緩沖支持。重繪界面時(shí)，該模型直接使用首次載入大圖片保存下來(lái)的內(nèi)存位圖，避免重新載入大圖片，從而避免了在載入大圖片時(shí)造成的系統(tǒng)阻塞。

Figure 2 User interface redrawing model of the improved three level buffers technology圖2 改進(jìn)三層緩沖技術(shù)界面重繪模型

2.3 算法流程

基于上述算法模型，形成本文提出的改進(jìn)三層緩沖技術(shù)算法流程，如圖3所示。

Figure 3 Algorithm flow chart of the improved three level buffers technology圖3 改進(jìn)三層緩沖技術(shù)算法流程圖

3 應(yīng)用及效果分析

3.1 應(yīng)用案例

在地質(zhì)應(yīng)用中，巖心是礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)開(kāi)發(fā)研究工作的第一手資料[13]。從鉆孔中取出的巖心樣本，本身包含了豐富的地質(zhì)信息，是地質(zhì)工作者認(rèn)知地下地層沉積、礦物成礦的最直接途徑，也是進(jìn)一步研究地質(zhì)構(gòu)造和成礦預(yù)測(cè)的重要依據(jù)[14]。專業(yè)人員在巖心影像分析基礎(chǔ)上繪制鉆孔柱狀圖，并進(jìn)行巖心信息化處理。由于數(shù)字化鉆孔柱狀圖可達(dá)100 MB，其數(shù)據(jù)容量遠(yuǎn)超普通圖片規(guī)模，使用普通的圖片處理和顯示技術(shù)不能取得良好的效果，為此采用改進(jìn)三層緩沖技術(shù)。基于上述算法流程，給出數(shù)字巖心圖片處理地質(zhì)應(yīng)用的關(guān)鍵解決代碼。

程序運(yùn)行效果如圖4所示，圖4a為圖片整體效果，圖4b為圖片局部放大效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于改進(jìn)三層緩沖技術(shù)在對(duì)圖片進(jìn)行操作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)阻塞現(xiàn)象，并且能夠在放大之后完整顯示圖片的細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵代碼如下。

CBitmapmemImg;

if (!memImgDC.m_hDC)

{

memImgDC.CreateCompatibleDC(dc);

}

if (alreadyLoad)

{

// 創(chuàng)建與圖片屬性兼容的內(nèi)存位圖

memImg.CreateCompatibleBitmap(dc,imgMaxWidth,imgMaxHeight);

memImgDC.SelectObject(&memImg);

alreadyLoad= FALSE;

GraphicsdcPen(memImgDC.m_hDC);

dcPen.DrawImage(bkPic,0,0,imgMaxWidth,imgMaxHeight);

}

// 創(chuàng)建與顯示設(shè)備兼容的內(nèi)存位圖

CDCmemBkDC;

CBitmapmemBk;

memBkDC.CreateCompatibleDC(dc);

memBk.CreateCompatibleBitmap(dc,windowSize.Width(),windowSize.Height());

memBkDC.SelectObject(&memBk);

GraphicsdcBrush(memBkDC.m_hDC);

dcBrush.DrawImage(bkImg,-13,-10,windowSize.Width()+26,windowSize.Height()+20);

memBkDC.SetStretchBltMode(HALFTONE);/*防止圖片失真*/

memBkDC.StretchBlt(viewPt.at(scaleIndex).x,

viewPt.at(scaleIndex).y,

viewSize.at(scaleIndex).cx,

viewSize.at(scaleIndex).cy,

&memImgDC,

0,

0,

imgMaxWidth,

imgMaxHeight,

SRCCOPY);

dc→BitBlt(0,0,windowSize.Width(),windowSize.Height(),&memBkDC,0,0,SRCCOPY);

memBk.DeleteObject();

memBkDC.DeleteDC();

程序運(yùn)行效果如圖4所示。

Figure 4 Achieved results by the improved three level buffers technology圖4 改進(jìn)三層緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)的效果

3.2 性能分析

為進(jìn)一步測(cè)試算法性能，使用傳統(tǒng)三層緩沖技術(shù)和改進(jìn)三層緩沖技術(shù)分別顯示一張大小為98.5 MB的鉆孔柱狀圖，并且分別執(zhí)行一次圖片放大、縮小、上移、下移、左移、右移和復(fù)位的操作，平均時(shí)間如表1所示。

Table 1 Comparison of time consumption betweenthe two image display technologies

從表1可以得到，在大圖片被載入的時(shí)候，兩種技術(shù)載入時(shí)間幾乎相同，但是在執(zhí)行圖片操作時(shí)間上有很大的差異。使用傳統(tǒng)三層緩沖技術(shù)，在每一次操作圖片的時(shí)候都需要重新載入圖片，因此操作用時(shí)和載入用時(shí)基本相同。而使用改進(jìn)三層緩沖技術(shù)，在操作圖片的時(shí)候不需要重新載入圖片，因此操作用時(shí)大幅減少，從而避免系統(tǒng)阻塞，提高了用戶體驗(yàn)。本文提出的改進(jìn)三層緩沖技術(shù)算法解決了大圖片顯示和重繪時(shí)候的系統(tǒng)阻塞問(wèn)題，因此其總的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于常規(guī)圖片顯示技術(shù)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)數(shù)字巖心鉆孔柱狀圖的處理和顯示應(yīng)用案例，使用本文提出的改進(jìn)三層緩沖技術(shù)，取得了非常好的效果。需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題主要有：在大圖片載入的時(shí)候，仍然有一個(gè)明顯的耗時(shí)過(guò)程。要解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用目前最新的圖形處理單元(GPU)[15]，針對(duì)圖片格式在GPU上實(shí)現(xiàn)并行圖片解壓算法，替代傳統(tǒng)在CPU上實(shí)現(xiàn)的串行圖片解壓算法，其加速比可以達(dá)到1 000倍以上[16]，從根源上解決大圖片載入造成的系統(tǒng)堵塞問(wèn)題。另一個(gè)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題是：對(duì)于一些由遙感影像轉(zhuǎn)化生成，動(dòng)輒上千兆的超大圖片，普通的臺(tái)式機(jī)已經(jīng)無(wú)法為其創(chuàng)建必須的內(nèi)存緩沖。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以結(jié)合圖像切片技術(shù)和硬件加速的方法[17]，同時(shí)結(jié)合本文提出的改進(jìn)三層緩沖技術(shù)以達(dá)到目的。

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