嵌入式圖形支持庫的設計與實現探討

摘 要 在科學技術創新發展驅動下，嵌入式系統在工業、醫學、商業、軍事等眾多領域得到廣泛應用。在此背景下，如何增強嵌入式系統圖形用戶界面功能，提升嵌入式系統人機互動水平，成為相關工作人員關注的重點問題。基于此，本文結合已有經驗，提出一種支持2D/3D圖形處理且穩定性相對較高的嵌入式圖形支持庫，以提升嵌入式圖形支持庫性能，為其應用與推廣提供有意指導，滿足嵌入式系統應用需求。

關鍵詞 嵌入式 圖形支持庫 系統設計 3D模型

0引言

在信息化、大數據時代，以計算機技術、互聯網技術、電子技術等為依托的具有人機互動性的系統成為人們日常生活、學習、工作中的重要組成部分。在系統設計與開發過程中，圖形用戶界面能夠以形象、直觀、具體表達方式傳遞信息，實現系統與用戶的有效互動。隨著系統應用領域的不斷擴大，應用要求的不斷提高，3D技術之間應用到嵌入式系統中，支持3D建模成為嵌入式系統圖形用戶界面設計的主流發展趨勢。

1嵌入式圖形支持庫設計目的分析

在對嵌入式圖形支持庫進行設計分析時，需對其設計目的具有明確認識，以提升系統設計的準確性、科學性、合理性。就嵌入式圖形支持庫而言，其設計目的主要體現在以下幾方面：

（1）嵌入式系統應用現實需求。嵌入式系統（Embedded system）是基于計算機上技術、互聯網技術、電子技術、自動控制技術等現代化先進技術創新發展下，形成一種能夠根據用戶需求，包括功能需求、可靠性需求、安全性需求、環境保護需求，進行軟硬件靈活裁剪的計算機系統，是為特定應用專門設計的系統，具備專用性強、實時性佳、系統可裁剪、體量小、功耗低、開放能力強、軟硬件協同設計等特征。因此，在信息化、大數據時代背景下，基于“信息化建設”、“互聯網+”、“網絡強國”等發展戰略的實施，嵌入式系統應用范圍大幅度提升，并對通用圖形用戶界面系統提出了更高要求。傳統圖形用戶界面系統已經無法滿足嵌入式系統應用需求，迫切需要為嵌入式系統提供完整、高效的輕量級圖形用戶界面系統支持。

（2）圖形支持庫設計必然趨勢。圖形用戶界面系統是嵌入式系統中的重要組成部分，能夠通過圖形、圖像、圖標、控件等滿足嵌入式系統人機交互需求，提升嵌入式系統操作性、體驗性。目前，常規嵌入式系統圖形用戶界面受軟硬件資源限制，多支持2D模型。例如，miniGUI是較為成熟的嵌入式系統圖形支持系統，雖然具有較為完善的圖形處理功能，但無法支持3D模型，且系統在實踐應用過程中需通過miniGUI控制。而就系統人機互動發展情況來看，3D應用將成為主流趨勢，使用戶能夠從多維角度觀看效果。

2嵌入式圖形支持庫設計思路分析

2.1 明確常用嵌入式圖形支持庫特征與缺陷

對當前較為常用的幾種嵌入式圖形支持庫（如Mini GUI、Delta_GUI、Qt/Embedded等）進行梳理，發現常用嵌入式圖形支持庫主要由消息管理機制、應用接口層、窗口核心層、輸入輸出層等構成，如圖1所示。

該體系結構中，消息管理機制是圖形用戶界面系統運行過程中實現系統內部信息有效傳遞與交換的核心所在，側重處理系統各事件、各消息的交互操作;系統應用接口層主要為應用程序調用提供接口，窗口核心層主要應用接口層調用提供接口，輸入輸出層實現對硬件等有效封裝;系統在設備管理技術、屏幕管理技術、資源管理技術等結合應用下，滿足系統圖形界面組織管理、資源調配需求。通常情況下，系統在設計過程更注重穩定性、時效性的提升，強調在系統初始化接口中完成入口封裝。因此，底層驅動調用多在Init（）中進行。這在一定程度上降低了系統代碼設計靈活性，當系統用戶缺乏對圖形用戶界面系統底層結構的了解時，易出現資源浪費、設計效率低下、操作錯誤等問題。

2.2 新嵌入式圖形支持庫系統設計基本功能需求

根據嵌入式圖形支持庫設計發展需求，針對常規嵌入式圖形用戶界面支持系統存在的缺陷，提出一種新型圖形接口模型。該圖形接口模型基本功能設計需求如下：（1）系統穩定性、時效性強;（2）支持2D模型開發的同時，支持3D模型構建;（3）符合嵌入式系統應用要求。

2.3 新嵌入式圖形支持庫系統設計思路

為滿足系統設計基本功能需求，提出如下設計思路：（1）依托3D技術配置3D圖形繪制模塊，具備三維幾何代數操作、場景繪制與顯示、物體碰撞檢測、光線處理、三維圖形或三維場景渲染、行為虛擬等功能;（2）利用組件庫進行系統接口設計，使嵌入式圖形用戶界面系統無需通過制定入口實現操作;（3）改變常規嵌入式圖形支持庫結構，去除消息管理機制，以事件碼形式完成系統設計;（4）創新圖形支持庫資源管理模式，將常規嵌入式圖形支持庫系統輸入輸出設備配置到設備抽象層，降低系統模塊連接復雜性，增強系統設計標準性、通用性;（5）更具組件功能差異，構建多層結構，實現不同層次獨立操作、協同操作。

2.4 新嵌入式圖形支持庫系統體系結構

本文所設計的嵌入式圖形支持庫系統（如圖3所示）主要由以下幾部分構成：

（1）設備抽象板塊：設備抽象板塊側重于對系統內的硬件進行管控，能夠根據系統運行實際情況，將信息傳遞給上層結構。在設備抽象板塊設計過程中，以組件化設計理念為支持，科學劃分組件（包括硬件接口組件、圖形處理組件等），并利用專用設備抽象組件將圖形支持系統下層設備接口封裝，改變常用嵌入式圖形支持庫系統圖形設備接口設計形式，以提高系統集成性、訪問時效性。

（2）事件控制板塊：事件控制板塊側重于系統流程控制，是系統穩定運行的根本保障。在系統設計過程中，時間控制板塊能夠模擬消息管控機制操作過程，對嵌入式圖形支持庫系統內部事件與外部事件進行管理與控制，滿足事件處理要求，其結構如圖2所示。

（3）2D/3D繪制板塊：多數圖形支持庫在實踐應用過程中需要依靠自身平臺進行控制，并在消息管理機制應用下完成信息管理與交互。因此，在圖形支持庫改造過程中，新控件加入存在一定限制。本文所設計的嵌入式圖形支持庫改變了常用圖形數據庫控制方式，將2D圖形處理交給函數庫，使嵌入式圖形支持庫能夠同時提供2D模型設備抽象接口、第三方設備抽象接口。與此同時，新嵌入式圖形支持庫將 3D 流水線設計成單個組件，為系統提供專門的數據引擎，在支持3D建模的同時，提高嵌入式圖形支持庫系統運行速度，增強系統操作時效性、高效性。

3嵌入式圖形支持庫核心模塊設計與實現技術分析

嵌入式圖形支持庫系統是一個綜合性系統，在研發過程中需對其核心模塊設計與實現技術具有明確認識。

3.1設備抽象層的設計與實現

設備抽象層是嵌入式圖形支持庫系統中重要組成部分，位于系統硬件系統與軟件系統中間位置，能夠通過系統接口實現對系統事件控制層、2D/3D繪制層的信息交互，滿足系統資源管理、調度需求。

4結論

總而言之，嵌入式系統已經成為各領域系統研發關注的重點內容，基于嵌入式系統的迅速發展，以及各領域對系統性能、功能需求的不斷提升，加大支持2D、3D建模嵌入式圖形用戶界面的支持庫研發勢在必行。本文依托已有經驗，針對圖形支持庫特征，提出一種具有3D圖形處理功能的層次結構，并對其核心模塊的設計與實現進行了簡要分析，以推動嵌入式圖形支持庫優化發展，滿足嵌入式系統創新應用需求。

作者簡介：吳文慶（1973-），男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，碩士，從事軟件工程技術研究。

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