基于抽象工廠模式的機載顯示系統圖形生成技術研究

王志樂，董軍宇2，胡文婷

(1.海軍航空大學 青島校區軍用虛擬仿真研究與訓練中心,山東 青島 266041；2.中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100)

0 引言

現代飛機航電系統已經由原先的分立式、聯合式[1]變為現在的集成模塊化[2]、分布式的航電系統，由于先進的電子信息技術在航電系統上的應用，使得航電系統功能越來越強大，交聯越來越復雜，涵蓋了飛控、顯控、雷達、導航、通信、任務等子系統[3]，該系統也成為現代先進飛機的核心系統，成為衡量飛機先進性能的核心指標之一。所有子系統的數據可視化顯示與處理、人機交互都是通過顯示與控制系統完成，這也對座艙顯控系統的開發和性能帶來挑戰。

座艙顯控系統作為飛行員與機載傳感器的人機交互系統，其中機載顯示系統直接顯示飛行數據、戰術數據、疊加圖像等，顯示的視覺效果、圖形生成的效率直接影響飛行員的視覺判斷和作戰時機[3]。然而飛行顯示系統需要實時地獲取飛行傳感器指令，經過計算處理后動態地顯示飛行儀表圖形、交互菜單、任務圖形、目標及外部環境等信息，并且對顯示系統的實時性、穩定性、安全性有很高的要求。當前，主流的設計方式都是將顯示圖形預先制作成貼圖，然后通過國外專業的儀表開發工具如GL Studio、IData、VAPS等[4-6]進行開發。由于顯示的圖形種類和數量龐大、字符類型多，很多是按畫面整體顯示的圖形進行設計，這類方法入門比較簡單，但是顯示系統復用率低、集成性差、無法實現重構，類似機型或相同機型升級都需要重新設計研制機載顯示系統。另外，采用貼圖方式顯示的圖像符號視覺效果差，而且使用大量的貼圖影響顯示畫面生成的效率。所以本文對機載顯示系統各類圖形進行分層級抽象建模，提出了基于抽象工廠模式[7]對機載顯示圖形的三級建模架構，最后采用OpenGL[8]實現了圖形模型開發庫和機載顯示系統圖形生成架構，實驗證明顯示效果比貼圖方式好、圖形生成效率更高，并且可以實現機載顯示系統的軟件重構。

1 抽象工廠模式

當系統所需要的產品對象是多個位于不同產品等級結構中屬于不同類型的具體產品時需要使用抽象工廠模式。抽象工廠模式是所有形式的工廠模式中最為抽象和最具一般性的一種形態，與普通工廠方法模式最大區別在于，工廠方法模式針對的是一個產品等級結構，而抽象工廠模式則需要面對多個產品等級結構。

當一個工廠等級結構可以創建出分屬于不同產品等級結構的一個產品族[9]中的所有對象時，抽象工廠模式比工廠方法模式更為有效率。產品族和產品等級結構關系如圖1。

圖1 產品族與產品等級結構關系

因此可以采用抽象工廠模式將機載飛行顯示系統所有圖形庫按產品族和產品等級進行抽象，將機載顯示圖形庫進行分級建模形成標準的圖形生成對象，對字符、圖形、窗口進行抽象統一建模，再利用抽象工廠模式對圖形處理模型、繪制模型、顯示模型進行系統架構設計。首先對顯示圖形庫進行分類抽象，形成機載顯示圖形類結構如圖2。

圖2 機載顯示圖形類結構

由于抽象工廠模式屬于類創建型模式，它的目的是為一系列的、相互關聯的具體類提供統一的創建接口[10]。抽象工廠從圖形繪制模型代碼中隔離出了創建具體對象的操作，把所有對相互關聯的類的創建操作組織到一起，為其他類提供高層的、經過封裝的對象創建操作[9]。為了方便闡述抽象工廠模式，引入標準化的產品族，將不同分級結構但功能相關聯的圖形對象組成家族，其抽象工廠接口類如圖3所示。

圖3 圖形家族抽象工廠接口類

基于抽象工廠模式的思想創建統一的接口類，可以通過基類快速的創建圖形產品族或者基于產品等級資源庫創建新的圖形樣式，然后在圖形內部完成新增功能和特性。

2 圖形抽象建模

在顯示圖形抽象建模的設計過程中，采用產品族的概念進行分類分級描述，將圖形的特征處理進行分類建模。將機載航空電子系統顯示的圖形圖像分為字符模型、基本圖形模型、復雜圖形模型、窗口模型，其中字符模型描述漢字字符和英文字符，基本圖形模型描述線、矩形、圓弧、三角形等，復雜圖形模型在基本圖形模型的基礎上進行建模描述，如表示飛機姿態的天地圓、填充橢圓、填充帶邊框矩形等。

2.1 位圖文字矢量顯示法

字符模型作為一種基本的顯示圖形，其繪制如表1所表。字符結構模型={字體|坐標|寬度|高度|旋轉角|下劃線|刪除線|斜體}，字符模型繪制處理類分為英文字符處理、漢字字符處理，其中英文字符采用ASCII繪制，漢字字符采用位圖顯示方式，由于漢字字符的顯示比較特殊，這里在OpenGL環境下以漢字繪制類進行抽象描述,如表1所示。

表1 漢字繪制類

其中漢字的繪制處理在PrintText接口中完成，在Windows環境下OpenGL常用的位圖字符顯示方法包括：(1)通過制作位圖字符的顯示列表來顯示，但對于漢字字符將大量消耗資源；(2)利用紋理貼圖原理，將事先要顯示的漢字制作成貼圖，但運行時無法修改，只能適用于少量的漢子顯示；(3)讀取點陣字庫信息，利用glBitMap()函數顯示，讀取顯示效率高，但是放大或者縮小會存在鋸齒現象。針對上述方法的特點，采用GDI提出的TrueType平面位圖文字顯示法。

利用TrueType矢量字體的與設備無關性、靈活性好等特點，結合OpenGL的位圖顯示技術，實現了矢量漢字靈活顯示方法。其基本繪制模型如圖4所示，在漢字矢量處理類中調用OpenGL位圖數據結構及位圖處理函數實現漢字顯示處理。

圖4 矢量漢字繪制模型

2.2 基本圖形處理模型

在進行基本圖形處理建模過程中，將漢字納入到基本圖形中，漢字繪制類實現之后，就可以和其他基本圖形處理一起集成到基本圖形處理類中，這里基本圖形定義為：線、矩形、圓形、三角形、扇形或圓弧、多邊形、窗口。基本圖形定義的太詳細或者太粗糙都不利于復雜圖形的構建和圖形的調用顯示。因此在采用抽象工廠模式創建圖形處理類時，首先創建基礎的圖形接口基類，如表2所示。

表2 圖形接口基類

其中CreateIMG接口參數在完成創建圖形對象過程中必然要使用CDC類，因此該接口的定義如下：

virtual bool CreateIMG(CDC *pDC, enIMGShowTypeDef enType,bool bIsColor)=0;

參數enIMGShowTypeDef表示載機顯示系統的某種類型的物理顯示設備，如MFD1MFD2HUDHMD等。

在進行基礎圖形類庫的開發過程中，需要使用Opengl32.dll和Glu32.dll，因此這里基于OpenGL圖形接口， 結合基礎圖形繪制模型的特點，以及開放式航電顯示系統設計的技術要求，設計專用的圖形繪制類接口CBaseDraw，主要包括圖形繪制類函數和圖形控制類函數，該接口類的模型如表3所示。

2.3 復雜圖形繪制模型

復雜圖形處理類模型CGLImageDraw的定義是基于IIMGModel進行派生的，由于復雜圖形也是基于基本圖形庫產生的，因此需要引用CBaseDraw，其模型定義如表4所示。

表3 基礎圖形繪制模型

表4 復雜組合圖形模型

CGLImageDraw類的具體定義如表5所示。

在復雜圖形模型的繪制過程中，可以采用貼圖實現，這種方法對開發人員的技術水平要求不高，并且開發過程簡單，但是靈活性和重用性不強，顯示效果也不好。一般戰斗機的圖形顯示符號達到100余種，都采用貼圖之后在顯示過程中系統占用的資源比較高。因此基于設計的基本圖形處理類通過圖形繪制算法創建復雜圖形，既可以實現圖形符號的通用性，也實現了圖形繪制算法的重構，通過參數可以構建不同飛機同一類別的圖形符號，而且顯示效果和軟件效率都得到大大提高。如圖5是基于GL Studio開發工具利用預先處理好的貼圖實現的MFD顯示效果，其特點是顯示的每一個字符及圖形符號都是基于貼圖圖像實現的，因此顯示效果受圖像分辨率影響較大，當畫面進行縮放時圖像容易發虛；對于可變圖形(如航線)利用GL Studio進行動態繪制后由于沒有進行反走樣處理，鋸齒明顯。

表5 CGLImageDraw類模型定義

圖5 GL Studio實現的駕駛效果和導航效果

利用CGLImageDraw和CBaseDraw類進行畫面繪制時，通用基本圖形符號可以通過CBaseDraw類實現，對于復雜組合圖形符號在CGLImageDraw類設計時實現，通過調用OpenGL函數庫、CBaseDraw類和相關圖形處理算法實現。以圖1畫面中地平儀(天地圓)的實現為例，其組成及變化比較復雜，其特征如表6。

表6 天地圓特征表

表7 姿態刻度帶繪制

圖6 填充矩形與填充矩形疊加刻度線及刻度值繪制效果

在填充矩形顯示層上面調用CBaseDraw類的繪線接口完成刻度線的繪制，以及刻度值的繪制，其顯示效果如圖6(b)顯示。最后為了構成天地圓的顯示效果，需要對填充矩形進行遮擋層繪制，均分成四等分繪制遮擋圖形，遮擋圖形由多邊形和圓弧組成，主要計算出圓弧半徑和四個點的坐標，如表8關鍵點坐標。圓弧的繪制算法如下，遮擋圓弧實現后的顯示效果如圖7(a)所示。

定義：circler=173。

circlex表示圓弧上某點X坐標，circley表示圓弧上某點Y坐標

表8 關鍵點坐標

采用遮擋圓弧繪制算法繪制完其他三份，至此就完成了天地圓的繪制，當飛機姿態變化時，天地圓及刻度帶隨動，而遮擋部分始終保持不動，這樣的機理也完全符合地平儀的結構。通過自定義類繪制效果如圖7(b)所示。基于CBaseDraw基本圖形類和復雜圖形的繪制函數、管理函數構建CGLImageDraw類，這樣就實現了機載顯控系統的可視化圖形抽象建模。

圖7 疊加遮擋圓弧顯示效果與自定義類實現效果

2.4 顯示畫面實現

以某型固定翼飛機飛行駕駛畫面為例，該畫面包括地平儀、飛行參數指示等[11]。利用自主開發的圖形模型庫和顯示系統圖形生成架構，快速的實現畫面繪制。該架構首先是畫面繪制準備工作，其次是利用圖形模型庫提供的SDK進行字符、圖形和窗口的顯示。

準備工作過程中，主要實現著色模式選擇、目標像素深度設置、指定顏色和紋理坐標的差值質量、啟用點線反走樣和抗鋸齒[12-13]，定義像素運算算法等，其關鍵代碼如表9。

字符和圖形的顯示根據機載航電子系統輸出的狀態數據、傳感器測量數據、任務解算數據[14]以及顯控系統當前所顯示的畫面狀態判斷下一刻應該顯示的畫面。根據畫面圖形元素類型及圖形位置布局等特點，調用CBaseDraw類和CGLImageDraw類提供的圖形生成算法實現字符、通用圖形、復雜圖形的實時繪制和顯示。圖8是采用該架構提供的抽象圖形模型庫實現的某型飛機駕駛畫面和導航畫面的效果。

表9 顯示初始化功能

圖8 自定義架構和圖形庫實現的駕駛和導航顯示效果

3 仿真應用分析

國外專用開發工具(如GL Studio、IData等)，往往不支持漢字顯示，漢字和圖形都是通過貼圖實現，因此當顯示比例變化時顯示效果會受到影響，對于一些動態變化的圖形，需要依靠工具提供的控件和API來實現，但工具未提供圖形反走樣處理，如圖1顯示效果。基于國外專用工具開發后的軟件重用性、重構性都大大降低，即使是貼圖的重復使用率也不高，優點是對開發人員的編程技術要求不高。

基于抽象工廠模式實現的座艙圖形生成庫，解決了國外專用工具面臨的問題，所有的顯示符號都是圖形，并進行了反走樣和鋸齒的處理，圖6對比圖1的顯示效果明顯提高。利用上述平臺架構和圖形模型庫開發的任意機型的顯示系統，通過調整視窗、修改繪制參數、增加或刪除某些圖形等可以快速的實現代碼的重構，而開發人員無需掌握圖形的繪制機理，只需要調用對應圖形的繪制函數，輸入位置和特征參數。表10給出了圖形生成技術與國外專用工具的對比。

4 結論

通過對比傳統顯示系統的軟件開發以及利用國外軟件工具進行開發的過程，該方法采用抽象工廠模式建立機載顯示系統圖形模型庫，基于OpenGL技術建立機載顯示系統平臺，可以快速的實現飛機座艙顯示系統的設計及開發，并且不受任何平臺和工具環境限制，既適合實裝的預研設計、開發，也適合各種平臺的模擬訓練系統的研制。其特點是，對開發人員的編程能力要求較低，顯示軟件的復用率和重構率高、繼承性好，易于移植和嵌入其他第三方軟件平臺。利用上述平臺架構和圖形模型庫實現的某戰機座艙顯示系統已經成功應用于該型飛機分隊戰術模擬訓練系統，通過仿真試驗及結果的定性定量評價分析，該模擬器完全滿足訓練和教學需求。

表10 圖形生成平臺與第三方工具對比