吳亞非，臧義華

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083)

0 引言

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件是在電子地圖上以交互式標(biāo)圖方式為作戰(zhàn)參謀人員展現(xiàn)首長(zhǎng)決心、反映戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和擬制作戰(zhàn)方案的可視化工具軟件，在幾乎所有的作戰(zhàn)應(yīng)用系統(tǒng)中都是不可或缺的組成部分［1］。近年來(lái)，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪研究領(lǐng)域逐步擴(kuò)展，技術(shù)水平日趨成熟。從二維平面標(biāo)圖、三維虛擬戰(zhàn)場(chǎng)展現(xiàn)到二三維聯(lián)動(dòng)，從美觀易用的手工標(biāo)圖，到海量實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示［2］，從運(yùn)用動(dòng)畫(huà)效果推演作戰(zhàn)計(jì)劃，如實(shí)反映作戰(zhàn)過(guò)程到大幅面精準(zhǔn)制圖，這些研究成果的推廣應(yīng)用，正在助力作戰(zhàn)人員謀劃打贏信息化條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)。

與此同時(shí)，作戰(zhàn)空間的拓展要求態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的應(yīng)用領(lǐng)域向著多樣化發(fā)展，其運(yùn)行環(huán)境已經(jīng)由傳統(tǒng)的Windows 操作系統(tǒng)，推廣至國(guó)產(chǎn)桌面Linux 系統(tǒng)、資源受限的嵌入式VxWorks 系統(tǒng)和手持終端的Android移動(dòng)系統(tǒng)，甚至面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)中都有相關(guān)的研制與實(shí)現(xiàn)。聯(lián)合作戰(zhàn)時(shí)必須保證不同參謀人員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息理解的一致性，這就要求不同環(huán)境下繪制的態(tài)勢(shì)圖［3］顯示必須一致。

在各種操作系統(tǒng)下基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)研制態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件是理所當(dāng)然的，但是一套功能完備的態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件必然意味著巨大的投入，不僅成本上難以控制，而且不同項(xiàng)目組之間很難做到全時(shí)全域?qū)π枨蠓治?、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)保持完美的一致，這種情況下態(tài)勢(shì)圖的一致性就愈發(fā)困難了。態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件與常用的圖形處理軟件不同，不僅必須與地理信息系統(tǒng)結(jié)合使用，而且需要根據(jù)多個(gè)位置點(diǎn)實(shí)時(shí)生成多達(dá)幾百個(gè)的圖形符號(hào)［4］，且生成算法復(fù)雜，要求各個(gè)平臺(tái)態(tài)勢(shì)圖顯示一致，而常用圖形處理軟件跨平臺(tái)設(shè)計(jì)幾乎不需要考慮這些方面的要求，因此借鑒意義不大。態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件研制中跨平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要探討了二維態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件跨平臺(tái)設(shè)計(jì)的解決方案，基本做到了框架共用、算法共享、成果一致的預(yù)期目的，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都取得了良好的效果［5-6］。

1 態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的一般設(shè)計(jì)方法

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的核心功能是標(biāo)繪編輯態(tài)勢(shì)圖，圖1 展示了新建一幅態(tài)勢(shì)圖的主要流程。

圖1 標(biāo)繪態(tài)勢(shì)圖的主要流程

背景地圖除了能夠顯示作戰(zhàn)區(qū)域外，還能為其上的圖形符號(hào)提供精準(zhǔn)地理坐標(biāo)定位，其相關(guān)功能是由第三方軟件-地理信息系統(tǒng)(GIS)實(shí)現(xiàn)的，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件需要集成地理信息系統(tǒng)的相關(guān)功能;與Visio 選取不同的“樣式(Shape)”繪圖方式類(lèi)似，態(tài)勢(shì)圖也是由多個(gè)不同種類(lèi)、不同樣式的圖形符號(hào)組成的，而圖形符號(hào)存儲(chǔ)于符號(hào)庫(kù)中，初次標(biāo)繪的符號(hào)采用缺省屬性顯示，標(biāo)圖人員可根據(jù)需要調(diào)整顏色、大小、方向、位置等屬性后形成作戰(zhàn)方案，然后打印或保存成態(tài)勢(shì)圖文件。

圖2 態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的一般設(shè)計(jì)方法

圖2 顯示了上述過(guò)程的設(shè)計(jì)方法。符號(hào)庫(kù)使用獨(dú)立的工具軟件制作，為了能夠在不同的視圖窗口顯示使用，其中的圖形符號(hào)應(yīng)當(dāng)矢量化存儲(chǔ)各組成圖元(視圖窗口坐標(biāo)系);標(biāo)繪時(shí)，對(duì)其實(shí)施視圖坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的空間變換;編輯時(shí)，在世界坐標(biāo)系中對(duì)其施加平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等二維矩陣變換;顯示時(shí)，依靠操作系統(tǒng)定義的顯示方式，輸出到屏幕顯示;存儲(chǔ)時(shí)，按照約定好的標(biāo)準(zhǔn)化格式，以將圖形符號(hào)逐一存儲(chǔ)于文件之中。

2 跨平臺(tái)的態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件設(shè)計(jì)方法

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)功能包括圖形數(shù)據(jù)管理、圖層管理、屬性管理、文件管理、圖形編輯、顯示控制等核心功能，還包括結(jié)合特定應(yīng)用的軌跡目標(biāo)處理和動(dòng)畫(huà)處理等標(biāo)繪擴(kuò)展功能［7］，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示，可以看出態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)的功能較多且復(fù)雜，這就需要軟件設(shè)計(jì)從不同層次解決跨平臺(tái)問(wèn)題［8］。

圖3 態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)系統(tǒng)圖

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件可能運(yùn)行的平臺(tái)涵蓋了多數(shù)常見(jiàn)的桌面類(lèi)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和手持終端系統(tǒng)，其與操作系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的部分主要集中在I/O 讀取、顯示器渲染輸出、標(biāo)繪編輯等部分［9］。針對(duì)這些問(wèn)題，采用的方法如下:

1)選擇跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言;

2)設(shè)計(jì)圖元繪制中間層屏蔽系統(tǒng)差異;

3)MVC 架構(gòu)設(shè)計(jì)模式;

4)依賴(lài)系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)的地理信息系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)與依賴(lài)系統(tǒng)的解耦。

2.1 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的選擇

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件需要根據(jù)設(shè)置的屬性將圖形符號(hào)進(jìn)行解析，這個(gè)過(guò)程需要大量復(fù)雜計(jì)算及反復(fù)的屏幕輸出渲染，實(shí)驗(yàn)證明，這些都是Java 軟件的弱點(diǎn)。而標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言本身具備跨平臺(tái)特性，利用其提供的模板類(lèi)、I/O 接口等實(shí)現(xiàn)符號(hào)庫(kù)解析等核心功能，屏蔽操作系統(tǒng)帶來(lái)的差異。

使用JNI 技術(shù)解決Java 語(yǔ)言訪問(wèn)及接口封裝問(wèn)題［10］。Android 平臺(tái)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件研制時(shí)，運(yùn)用系統(tǒng)自身的NDK 編譯核心代碼，通過(guò)JNI 訪問(wèn)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件核心功能，向上提供Java 接口解決軟件界面交互問(wèn)題。

服務(wù)化設(shè)計(jì)時(shí)，同樣采用JNI 方式實(shí)現(xiàn)對(duì)符號(hào)庫(kù)解析等核心功能的訪問(wèn)，對(duì)HTTP 請(qǐng)求以JSON 或XML 格式的數(shù)據(jù)應(yīng)答。

圖4 說(shuō)明了多種語(yǔ)言如何使用態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件內(nèi)核。

圖4 接口關(guān)系

2.2 圖元繪制中間層設(shè)計(jì)

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)需要繪制大量的圖形符號(hào)，圖形符號(hào)由多個(gè)圖元組成，而操作系統(tǒng)已經(jīng)封裝了顯卡驅(qū)動(dòng)并提供高級(jí)語(yǔ)言的圖形繪制函數(shù)庫(kù)，但不同操作系統(tǒng)之間的繪圖接口并不相同［11-12］。

設(shè)計(jì)一套與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的圖形繪制庫(kù)，屏蔽操作系統(tǒng)差異對(duì)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的影響，能夠最大化地共享符號(hào)繪制模塊。圖元繪制庫(kù)應(yīng)具備圖形圖像繪制和文字顯示能力，能提供畫(huà)筆、畫(huà)刷、文本屬性設(shè)置以滿(mǎn)足特殊繪制效果，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪的符號(hào)相對(duì)復(fù)雜，所以路徑、區(qū)域和裁剪區(qū)能力也是必不可少的。圖元繪制中間層抽取常用圖形庫(kù)的共性能力后作統(tǒng)一設(shè)計(jì)，向上提供平臺(tái)無(wú)關(guān)的繪制接口，以解決圖形繪制的跨平臺(tái)需要，如圖5 所示。

圖5 跨平臺(tái)的圖形繪制庫(kù)

圖形符號(hào)顯示模塊采用操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)接口后，能夠有效屏蔽不同操作系統(tǒng)影響。而Web 服務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪服務(wù)不應(yīng)負(fù)責(zé)顯示，而是服務(wù)的請(qǐng)求者依賴(lài)各自顯示能力提供圖形符號(hào)的顯示功能。因此，在設(shè)計(jì)符號(hào)顯示模塊時(shí)，顯示與模型必須分開(kāi)設(shè)計(jì)，只有這樣服務(wù)器端才可能有效利用桌面的設(shè)計(jì)成果。

2.3 MVC 架構(gòu)的設(shè)計(jì)模式

顯示模塊的顯示與數(shù)據(jù)分離，只是單純?yōu)榱舜a共享，而MVC 架構(gòu)設(shè)計(jì)模式是解決態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件跨平臺(tái)設(shè)計(jì)要求的核心思想，它實(shí)現(xiàn)了模型與顯示的分離，由于這種設(shè)計(jì)思想與具體系統(tǒng)無(wú)關(guān)，大大降低了操作系統(tǒng)對(duì)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的影響程度。

圖6 MVC 架構(gòu)設(shè)計(jì)模式

圖6 演示了MVC 架構(gòu)的基本理念，模型(Model)、視圖(View)和控制器(Controller)3 個(gè)抽象模型控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，抽象的模型部分負(fù)責(zé)對(duì)象的邏輯描述［13］，但與顯示無(wú)關(guān)。需要顯示時(shí)，模型通知控制器，由其更新視圖上的顯示。視圖部分只負(fù)責(zé)顯示并接受用戶(hù)的輸入，當(dāng)有變化時(shí)也是通過(guò)控制器更新對(duì)象模型。MVC 的設(shè)計(jì)理念將模型與顯示分離開(kāi)來(lái)，模型與數(shù)據(jù)的關(guān)系可以是一對(duì)多的關(guān)系，允許同一套數(shù)據(jù)模型在多個(gè)不同的視圖上顯示。

采用MVC 架構(gòu)模式，對(duì)態(tài)勢(shì)圖對(duì)象、態(tài)勢(shì)圖層對(duì)象和圖形符號(hào)模型與顯示分開(kāi)設(shè)計(jì)，模型部分負(fù)責(zé)對(duì)象的物理組成、操作方法、響應(yīng)邏輯，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件所有的外部接口都由模型部分具體實(shí)現(xiàn)［14］;顯示部分負(fù)責(zé)對(duì)象在窗口視圖下的繪制，設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)施圖形符號(hào)制作窗口與視圖窗口的矩陣變化決定圖元的實(shí)際位置后，依靠跨平臺(tái)的圖形繪制庫(kù)進(jìn)行屏幕渲染［15］。

圖7 觀察者模式實(shí)現(xiàn)視圖與模型的通信

控制器的實(shí)現(xiàn)方法有很多，其中消息響應(yīng)機(jī)制是最簡(jiǎn)單，也是最容易實(shí)現(xiàn)的。本文推薦使用與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的觀察者模式實(shí)現(xiàn)視圖與模型的通信。

觀察者模式定義了對(duì)象間的一種一對(duì)多的依賴(lài)關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所有依賴(lài)于它的對(duì)象都得到通知并被自動(dòng)更新。在態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件中，顯示對(duì)象被關(guān)聯(lián)(Attach)到模型對(duì)象上，當(dāng)模型對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，會(huì)自動(dòng)通知(Update)所有與之粘結(jié)的顯示對(duì)象，顯示對(duì)象負(fù)責(zé)更新視圖窗口。

2.4 依賴(lài)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件可通過(guò)設(shè)計(jì)圖元繪制中間層，采用MVC 架構(gòu)設(shè)計(jì)模式等方法實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)設(shè)計(jì)，但對(duì)系統(tǒng)外部的地理信息系統(tǒng)卻無(wú)能為力，而地理信息系統(tǒng)(GIS)是態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件唯一必須依賴(lài)的支撐軟件，態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件需要依賴(lài)地理信息系統(tǒng)提供世界坐標(biāo)空間定位、背景地圖顯示功能。應(yīng)用中態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件也需要適應(yīng)不同的地理信息系統(tǒng)，因此應(yīng)盡可能地減少與支撐軟件的耦合性。

通過(guò)建立獨(dú)立的虛擬地理信息系統(tǒng)，解耦地理信息系統(tǒng)與態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的依賴(lài)管理，能夠保證態(tài)勢(shì)標(biāo)繪在各種場(chǎng)景下都能顯示。所謂虛擬地理信息系統(tǒng)，包括世界坐標(biāo)與視圖坐標(biāo)的定義與相互轉(zhuǎn)換，地圖的縮放、漫游等基本功能，將態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件必需的功能接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)的地理信息系統(tǒng)都可以與態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件結(jié)合使用。同時(shí)，系統(tǒng)中缺省定義一個(gè)世界坐標(biāo)系與視圖坐標(biāo)系，不同的地理信息系統(tǒng)可以實(shí)例化該系統(tǒng)，也可以不接入任何地理信息系統(tǒng)，直接在空白背景下顯示，作為一個(gè)草稿系統(tǒng)使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者從事多年態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件的研制工作，組織并參與完成了基于桌面、嵌入式和面向服務(wù)的多個(gè)平臺(tái)的態(tài)勢(shì)標(biāo)繪軟件研制。未考慮跨平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)施跨平臺(tái)移植、復(fù)用研制成果難度很大，投入的人力、研發(fā)周期甚至軟件質(zhì)量成本都很高。

基于本文提出的設(shè)計(jì)理念和方法，筆者帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首先在桌面Linux 系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)重構(gòu)，并在不同平臺(tái)進(jìn)行了跨平臺(tái)移植實(shí)踐，最后對(duì)跨平臺(tái)效果進(jìn)行了評(píng)估。不同平臺(tái)間代碼共享率有較大幅度的提升?？缙脚_(tái)設(shè)計(jì)之前，由于平臺(tái)相關(guān)性代碼分布在各個(gè)文件，幾乎所有文件都需要改造，代碼共享率低于30%?？缙脚_(tái)設(shè)計(jì)后，視平臺(tái)性質(zhì)的不同，代碼共享率提升到75%以上。服務(wù)化的態(tài)勢(shì)標(biāo)繪系統(tǒng)需要進(jìn)行Web Service 改造，接口部分需要按照網(wǎng)絡(luò)化機(jī)制進(jìn)行封裝，相對(duì)代碼修改率較高;而同等性質(zhì)的桌面系統(tǒng)，運(yùn)行機(jī)制類(lèi)似，代碼共享率達(dá)到90%以上，個(gè)別甚至更高。態(tài)勢(shì)圖顯示效果基本一致。

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