图形自动生成

图形自动生成（共7篇）

图形自动生成 篇1

摘要：二维可视化是工程项目中常见问题,常用的做图软件很多,二维自动生成技术是一种重要的图形生成方法,本文以.net2008为平台,以dbf为数据文件格式,采用GDI+及SURFER组件底层调用两种方法分别实现二维图形的自动生成,以此为基础可以开发各种类似程序。

关键词：Surfer,二维矢量图,.NET2008

1 提出问题

在各种工程实践中,常需要大量成图,其中主要是二维图形。以Microsoft Visual Studio 2008为开发平台,编程读取图形数据库,分析运算,生成图形文件,实现二维自动成图,提高了工作效率与成图准确度。

编程任务举例:生成一种直方图,用以描述油田工区各小层的非均质性,根据已有数据,统计分析,小层非均质渗透率直方图。现有数据,一是工区各井的分层数据,二是各井的测井物性解释结果,其中包括渗透率。结果图件要自动生成,并图件格式为矢量格式。

编程任务:统计原始数据,并将统计结果以直方图的形式显示出来。

原始数据表主要字段:井名、小层名、小层顶深、小层底深、变异系数、级差、突进系数、均质系数、均值。目标是以每参数每层成一张图,过程是先将原始数据读入内存数组中,首先根据下列标准进行统计。

结果图形举例如下:某层变异系数的分布直方图。

完成这个编程任务,尝试了以下两种方法,一是GDI+方法,二是Surfer组件调用法。

2 数据文件读取

无论用哪种方法生成图形,首先要解决的是如何把原始数据从硬盘上读出来,这里采用的数据存取策略是:定义数组,如string[,]byxs=new string[3000,9];以存放从硬盘中读来的数据,然后对数组中的数据进行分析,分析结果存在内存变量中,原始数据有可能是不同的格式,建议最好预处理一下,将原始数据转换成一种相对规范的格式,以便后续的编程工作。

若用Dbf格式的数据表存放数据,读取数据的关键代码如下:

3 GDI+方法

GDI+绘图技术中,默认的坐标系统的原点是在左上角,X轴指向右边,Y轴指向下边,因此,GDI+默认的坐标系统与我们数学中的坐标系统并不一样,想要在GDI+中使用新的坐标系统,则需要在默认坐标的基础上进行坐标的变换,例如旋转、平移等。

4 调用Surfer组件

要使用surfer组件,你的机器应当安装好Surfer8.0,然后应当向工程添对Surfer的组件引用,这一操作过程是:单击菜单项Project里的Add Reference,在随后出现的设置窗口里,到com选项卡中寻找surfer的组件列项,并选中添加到本工程里。

(1)运行surfer进程

(2)完成初始化

(4)保存图形到硬盘

值得一提的是surfer的图形充填比较方便,若要给图形充填斜线,用如下一个语句即可:df.DefaultFill.Pattern="斜线",当然如果选用别的充填方案,只需将斜线换成要充填的方案名称即可,充填的方案名称可在Surfer软件运行状态下查到。

如果是批量图形生成频繁调用surfer,担心每次surfer实例不能完全退出,可用以下语句:

这样可以彻底清掉正在运行的每个surfer进程。

上文展示的是一种编程思路,具体实现需要补充代码,主要的编程思想及实现方法已经给出,以此为基础可以编写出各种二维成图程序。

参考文献

[1]王炜.C#对通用组件的编程.电脑编程技巧与维护(2005合订本).

[2]王炜.C#数据访问Excel接口模块设计.现代计算机,2007,8;95.

图形教学有效生成的思考 篇2

一、观察中生成

学生接触事物, 探究事物的本质属性, 这是创新意识的萌芽。 这种认识是形成创新能力的基础, 在这个过程中学生经过观察有所发现。

例如, 教学“长方体的认识”, 教师是通过实物进行教学的, 然后教师把这个实物图形展示在黑板上。

让学生们观察这个长方体有什么特点: 从中发现了这个长方体有8个顶点、12条棱、6个面。经过探究, 多数同学掌握了长方体的轮廓以及基本特征。这时, 教师又进一步启发学生棱与棱之间, 面与面之间又有什么关系? 学生经过再次的观察和研讨从中就不难发现, 相对的面的面积相等, 相对的棱的长度也相等。教学实践中有意识通过观察培养学生创新意识。

教师又问: 你能指出这个长方体的长、宽、高吗? 有的同学很快地说出: 相交于A点的AD、AB、AE分别是这个长方体的长、 宽、高。又有的学生指出相交于B点的长、宽、高。教师再一次启发学生观察, 要想找到这个长方体的长、宽、高有什么规律吗? 经过小组讨论, 就不难发现相交于任意一个顶点的三条棱都可以叫做这个长方体的长、宽、高。实践证明, 通过观察是可以初步培养学生的创新思维和创新能力。

二、操作中生成

由于受传统观念和教育模式的禁锢, 中国学生的动手实践能力普遍比西方学生的动手能力要弱。其实并不是中国学生不愿意动手实践, 真正的原因是缺少动手实践的机会。在数学教学课堂中有很多难懂的知识点, 如果单纯的讲解课本, 学生吸收效果不佳, 并且感觉枯燥难懂。此时, 如果运用实践教学, 让学生们自己动手去做实验或者求证相关理论, 那样不仅学生的学习兴趣上来了, 而且对所学的知识点也容易吸收。

例如: 在教 “圆锥体积”如何计算的课时, 学生此时已经掌握了一定的圆柱体积等相关知识, 以此为铺垫学习圆锥体积的求法, 课题前可以让学生们先准备好硬纸张, 然后教同学们自己动手做好一个纸质圆柱和纸质圆锥:

如下:

都是老师在引导学生自己动手, 让学生们自己亲自操作, 推导出圆柱和圆锥体积之间的关系, 让学生们在动手实践中, 明白了圆锥体积公式的由来, 加深了印象, 更巩固了知识点, 让学生们的认知上升到另外一个层次, 培养了学生动手实践能力, 也让学生对枯燥的课堂更感兴趣, 加深了对学习的热爱和投入。

三、想象中生成

小学阶段学生们的想象力是十分丰富的, 可以根据学生这个特点引导学生运用到学习中去。比如: 在教学 “圆的面积计算”的时候, 可以让学生自己动手, 把一个圆平均分成18份 ( 沿着圆的半径剪开) , 然后把这些剪开的小扇形沿着半径拼起来成为一个近似的长方形。如果把这个圆形平均分成36、72、144等份, 无限地平均分下去, 再拼成一个长方形, 让学生理解只要把圆平均分的份数越多, 就能让长方形的两条长越来越接近一条线段, 那就更接近长方形了。这样, 让学生充分展开思维的想象力使他们感知认识到圆的面积是可以转变为长方形的面积进行计算的。

因为圆的周长C = 2 πr, 所以长方形的长为∏r, 而拼成的长方形的宽就是圆的半径r。因为长方形的面积公式= 长 × 宽 ( 即 πr × r) , 所以圆的面积计算公式是S圆= π 。学生们通过动手实际操作, 充分发挥联想作用, 有利于发展学生的想象力, 还有利于培养学生的创新能力和创新精神。

四、好奇中生成

“好奇”是科学发明的巨大动力。没有这种好奇心就不易产生求异思维, 认识问题就没有一定的深刻性。好问、多疑, 课堂上爱提问的学生本身就是一种爱学习的表现。遇到问题, 多问几个为什么, 这就是求知欲具体表现。要鼓励学生质疑问难的勇气和精神, 培养创新意识。

在教学 “平行四边形面积”时, 学生在面积的转过程中提出这样的问题。平行四边形我这样剪, 也可以转化成长方形, 长方形的面积与平行四边形面积也是相等的。我听他讲完后心里一阵暗喜、 一阵担心, 怕的是学生能不能在转化过程中, 找到长方形的长与原来平行四边形的高是相等的, 我借助孩子的转化方法, 让全班同学参与的讨论, 很快的就解决了这转化方法中所产生的疑问。并表扬这位同学在数学知识中勇于探索与思考, 让学生们感受到图形中隐藏着许许多多的奥秘等待我们去了解。 “好奇”终于把问题推向一定的深度, 学生的探索探究也得到了锻炼。

图形自动生成 篇3

关键词：扫描线法,三维生成,Z轴拉伸

0 引 言

在较早期的设计和测量中,其成果一般都是采用平面矢量图形数据格式保存。而现代的应用中不再满足于二维图形,因而需要把前期的平面矢量图形改造成三维的图形。

1 DWG格式二维图形数据结构分析

因为AutoCAD是二维矢量化绘画中最早使用,也是最好使用的绘图软件,因而其DWG格式的平面图形积累到现在已非常多。其本质就是存储在AutoCAD数据库中的数据,称为数据库对象(DBObject)。它是一幅AutoCAD图形的基本组成部分,包括可见几何实体对象和不可见的非几何对象等,一组符号表和有名对象字典是AutoCAD数据库的关键组成部分。由于它们又包含了其它对象,因而称为容器对象(Container Object),容器对象的作用是组织和管理数据库对象。

AutoCAD数据库主要包括9个符号表和对象字典。9种符号表分别是:①块表(BlockTabLe);②尺寸样式表(DimStyleTable);③层表(LayerTable);④线型表(LinetypeTable);⑤应用程序注册表(RegAppTable);⑥文字样式表(TextStyleTable);⑦用户坐标系表(UCSTable);⑧视口表(ViewportTable);⑨视窗表(ViewTable)。

对象字典是存储一般对象的容器,可用来存储任何数据库对象和子类,主要包括组(GROUP)和多线(MLINE)两个数据库字典。用户可以创建一个新的对象,并存储于对象字典中。

2 二维矢量图三维生成算法

对于DWG格式二维图形,首先采用扫描线对其进行预处理,使其成为单独的图元,并检测其区域联通性,判别其是否为独栋建筑。如果是,就赋予该建筑物的层数和层高,屋顶类型、屋外墙面特征等信息;如果不是,就判别其为平面,为其设置平面域显示颜色,如绿色的草地。当系统读取处理后的二维图形数据时,同时也读取其预处理后的属性,采用Z轴拉伸算法使其简单变成三维立体,然后根据屋顶形状进行叠加,根据屋外墙面特征进行贴图,最后根据光线消隐算法以及透视算法生成具有真实感的三维图形。

3 三维生成算法在某房地管理系统中的实现

某市国土与房地产管理局的管理系统中,用户在日常的管理中需要各种图形提供直观的支持,因而需要对二维图形数据进行可视化。其二维图形数据一般是由国土局测绘队自己测量后用AutoCAD绘制的矢量图形数据,同时也来源于房地产商申报房地项目提交的设计规划图纸。经过分析和研究,采用上面论述的各种算法,基本实现了图形数据的三维可视化。其图文一体化操作界面如图1所示。

在该系统中对二维数据进行Z轴高度拉伸主要采用

的是ArcGIS的3D Analyst高级扩展模块,利用它的ArcScene和 ArcGlobe两个专门的三维视图工具,能够有效地管理3D GIS数据、进行3D分析、编辑3D要素、创建3D图层以及把二维数据生成3D要素。

下面就是该系统实现从二维图形通过Z轴高度值进行三维拉伸形成3D图的部分代码:

4 结语

随着计算机技术的高速发展,用户对图形的要求不再满足于二维。三维图形具有真实可视性,对二维图形的三维生成的研究具有重要的现实意义。本文在研究了平面矢量图形数据的结构后,提出了一种三维生成算法,并把它应用于某房地管理系统中,提高了系统的可视化操作性,为高效准确的房产和国土管理提供了可靠保障。

参考文献

[1]张玉芳,刘君,彭燕.一种改进的扫描线多边形填充算法[J].计算机科学,2005(6).

[2]沈润泉.改进的基于Z缓冲器和扫描线算法的消隐技术[J].科技信息,2008(1).

[3]熊丽华,杨峰.基于ArcSDE的空间数据库技术的应用研究[J].计算机应用,2004(3).

图形自动生成 篇4

随着显示分辨率的提高, 要处理的像素也越来越多, 而允许的处理时间却受屏幕刷新率所限制[3]。目前主流的机载显示分辨率为UXGA (1 600×1 200×60 Hz) , 数据传输率为345 MB/s[4]。高速、高带宽数据处理需要大容量高速率的帧存器件做数据缓冲。SRAM器件有着读写速度快、控制简单的特点, 但是其容量小, 成本高。在各种随机存储器件中, SDRAM的价格低、体积小、速度快、容量大, 是比较理想的器件[5,6]。本文针对高分辨率图形显示应用需求设计了一种基于SDRAM帧存的图形生成电路, 利用DSP执行图形运算算法, 利用FPGA作为协处理器, 利用SDRAM作为图形帧存并采取乒乓操作方式进行数据存取, 实现了分辨率高达1 600×1 200的图形实时生成与显示。

1 图形生成原理

飞行技术的发展使得座舱内需要显示的信息量增大, 尤其在做战术动作时, 画面变换速度快, 要求图形的更新速度也必须很快, 才可以避免画面的断续。为达到动态实时显示及画面清晰, 硬件上需采用更快的图形处理器和更合理的设计[7]。本文采用ADI公司的Tiger SHARC系列高速DSP器件TS201作为图形处理器, 以FPGA作为协处理器, 采用大容量高速SDRAM器件作为图形帧存, 原理框图如图1所示。

其中DSP负责图形生成运算并且将数据结果通过FPGA写入SDRAM中, FPGA从SDRAM中读出数据送至显示部件进行显示。本设计采用双帧存结构, DSP和FPGA对SDRAM的帧存操作采取乒乓方式, 以场同步信号为周期进行切换。

2 FPGA设计

FPGA设计主要包括SDRAM控制器设计、系统接口模块设计、乒乓模块设计等。

2.1 SDRAM控制器设计

SDRAM的操作时序非常复杂, 控制命令主要包括:激活命令ACTIVE、读命令READ、写命令WRITE、预充电命令PRECHARGE、刷新命令REFRESH、操作模式加载命令LOAD MODE REGISTER等。上电之初要先进行初始化配置, 而后才可进行正常读写。一个单独的读写操作需要有数个时钟周期的配套操作, 这也部分抵消了其高速率带来的优势。全页突发操作模式能够很好地发挥SDRAM高速读写的性能[8]。突发操作是指从内存中连续的地址读写有限的数据, 在一个SDRAM设备的频率周期中, 可以读写与时钟个数近似等量的数据[9]。本文采取突发操作方式对SDRAM进行数据存取处理。

本文采用VHDL硬件描述语言并用有限状态机来实现SDRAM各个控制命令状态间的切换。使用VHDL语言来描述有限状态机, 可以充分发挥硬件描述语言的抽象建模能力[10]。SDRAM控制器逻辑框图如图2所示。图中各个信号的定义如表1所示。

控制器内部逻辑主要分为三部分, 分别为:状态转换模块sdr_ctrl、状态处理模块sdr_sig、数据处理模块sdr_data。状态转换模块sdr_ctrl负责初始化状态机和初始化完成后各个操作命令之间状态转移关系的建立, 状态处理模块sdr_sig负责各种状态命令下对应的地址、控制命令信号的生成, 数据处理模块sdr_data负责控制数据端的读写使能三态控制。

2.2 系统接口模块

除了控制器内部逻辑本身, FPGA内部还需建立与控制器的交互关系, 根据应用要求产生系统接口模块System, 负责在适当的时候发起读写操作。FPGA内部相关的模块关系如图3所示。

System模块主要负责生成sdr_top模块的激励信号, 包括sys_ADSn、sys_R_Wn、sys_A等。

2.3 乒乓操作

在图形产生系统中将显存部件设置为乒乓双缓存结构, 可以达到提高系统数据吞吐量和系统处理效率的目的。本文中显存部分包括两片SDRAM存储器, 分别为SDRAM1和SDRAM2。对显存的操作分为两个主体, 一个为FPGA内部逻辑生成的SDRAM控制器1, 另一个为DSP集成的SDRAM控制器2。显存的选择和切换管理通过场同步的二分频信号SET实现, SET为“0”时, FPGA生成的SDRAM控制器对SDRAM1进行操作, DSP集成的SDRAM控制器对SDRAM2进行操作;SET为“1”时, FPGA生成的SDRAM控制器对SDRAM2进行操作, DSP集成的SDRAM控制器对SDRAM1进行操作。SDRAM乒乓操作的框图如图4所示。

DSP写入SDRAM中的数据需定时读取并送出显示, 在显示动态图形画面时, 需对帧存中的原始数据进行清屏处理, 否则会引起画面重影。清屏的实质就是将整个显示帧缓存全部填充成透明色, 尽管处理简单, 但通过纯软件实现非常费时[11]。本文设计了一种利用FPGA逻辑进行画面消隐的方法, 减轻了软件操作的负担, 提高了系统运行效率。具体方法为:利用SDRAM的高速高带宽优势, 将每行数据以SDRAM操作时钟高速读出, 通过FIFO1进行缓冲后读出显示。当一行数据从SDRAM中全部读出后, 立即通过FIFO2以SDRAM操作时序向SDRAM该行地址写入0数据, 以此达到清空该行数据的目的。每一行操作均参照此方法, 则当一帧画面全部读出完毕后, 该帧原有数据也全部得到清空。

3 高分辨率画面数据存取

为了高效利用SDRAM存储空间, 在DSP控制SDRAM操作期间, 将地址线错开一位相连, SDRAM地址总线第0位与DSP地址总线第1位相连, SDRAM地址总线第1位与DSP地址总线第2位相连, 以此类推, 这样SDRAM的一个地址空间将存储两个像素数据。SDRAM位宽为32 bit, 高16位和低16位分别存放两个相邻的像素数据。针对1 600×1 200分辨率画面, 在SDRAM中一行1 600个像素数据只需对应800个地址。本文所采用的SDRAM最大突发长度是512, 程序中将突发长度设置为512和288两种类型。显示器的一行像素数据和SDRAM中的两行地址单元对应, 其中第一行512个地址单元对应前1 024个像素数据, 第二行前288个地址单元对应后576个像素数据, 后224个地址单元舍弃。这样总共需2 400行存放一帧画面数据, 小于SDRAM中4 096行一个BANK的容量。

根据VESA标准, 分辨率为1 600×1 200、刷新率为60Hz的画面, 行消隐包括50个行周期, 一帧画面周期共包含1 250个行周期, 式 (1) 给出了行周期计算公式:

针对一行数据, 需完成突发读和突发写两个步骤, 突发读通过FIFO缓冲显示, 突发写对已读出的SDRAM数据进行清空。每次突发读、写需分两次进行, 第一次完成512个数据突发操作, 第二次完成288个数据突发操作。一个行周期内共需完成4次突发操作, 需产生4个sys_ADSn信号。为了便于SDRAM控制器区分512突发操作和288突发操作, 在System模块中设计了一个sys_BLS (burst length select) 突发长度选择信号, 其为“0”时通知控制器进行512突发, 为“1”时通知控制器进行288突发。

本设计中SDRAM的操作时钟为150 MHz, 式 (2) 给出了一行数据处理的时长:

式 (2) 分子为处理一行数据所需的总时钟周期数目, 其中包含4次突发操作周期以及每次突发操作所配套的行选通、列选通、预充电、自刷新等命令所消耗时钟周期。由式 (2) 知, 处理一行数据的时间小于行周期13.33μs。根据VESA标准, 1 600×1 200分辨率画面行周期包含2160个像素时钟周期。行同步宽度为192个像素时钟周期, 实际程序中利用行同步头做清零处理, 由式 (3) 可得到实际可用的操作时间为:

HSYNC、HBLANK、sys_ADSn、sys_R_Wn、sys_BLS的时序波形图如图5所示。

在行同步上升沿开始产生第1个低电平sys_ADSn信号, 行地址加1, sys_R_Wn为高, sys_BLS为低, 通知SDRAM控制器进行512突发读操作;完成后产生第2个sys_ADSn信号, 行地址加1, 此时sys_R_Wn为高, sys_BLS为高, 通知控制器进行288突发读操作;完成后产生第3个sys_ADSn信号, 行地址减1, 此时sys_R_Wn为低, sys_BLS为低, 通知控制器完成512突发写操作;完成后产生第4个sys_ADSn信号, 行地址加1, 此时sys_R_Wn为低, sys_BLS为高, 通知控制器进行288突发写操作。SDRAM的行地址按照A、A+1、A、A+1、A+2、A+3、A+2、A+3……的规律递增, 突发操作状态按照读、读、写、写、读、读、写、写……的规律进行。

4 实验验证

本文采用的DSP器件是ADI公司Tiger SHARC系列的TS201, FPGA采用Altera公司的EP2S60F672, FPGA开发环境为Quartus II9.1, 运用开发环境集成的在线逻辑分析仪工具Signaltap II抓取sdram控制器的各个相关信号波形, 如图6所示。

本文针对机载显示器对高分辨率图形显示的需求, 采用SDRAM器件作为图形帧存, 使用VHDL语言设计了SDRAM控制器;针对1 600×1 200分辨率画面实时生成需求, 设计了512和288两种突发长度, 通过FPGA内部的FIFO进行数据缓冲处理, 对SDRAM采取乒乓操作方式, 实现了分辨率高达1 600×1 200图形的实时生成与显示。

摘要：针对机载座舱显示器对高分辨率图形实时生成与显示的应用需求, 提出了一种基于SDRAM帧存的图形生成电路实现方法 。该方法 以DSP作为图形处理器执行图形运算算法, 以FPGA作为协处理器, 对SDRAM帧存采取乒乓操作方式进行图形数据缓冲处理, 实现了图形的实时生成。运用该方法只需两片SDRAM器件即可实现分辨率高达1 600×1 200的图形数据的实时生成与显示处理;对时序参数和接口逻辑做少许修改, 可生成多种分辨率图形画面。

关键词：高分辨率图形生成,SDRAM帧存,乒乓操作,FPGA

参考文献

[1]贾银亮.基于FPGA+DSP的飞机座舱综合图形显示技术研究[D].南京:南京航空航天大学, 2011.

[2]SPITZER C R.数字航空电子技术 (上) 航空电子元件、软件和功能件[M].谢文涛, 译.北京:航空工业出版社, 2010.

[3]孔全存, 李成贵, 张凤卿.主飞行仪表图形加速显示系统的FPGA设计[J].电子技术应用, 2007, 33 (4) :62-64.

[4]李翠娟, 陈川, 张晓曦, 等.几种机载视频技术要点分析与发展趋势探讨[J].航空电子技术, 2012, 42 (1) :129-131, 134.

[5]杨海涛, 苏涛, 巫檬.基于FPGA的SDRAM控制器的设计和实现[J].电子科技, 2007 (1) :8-12.

[6]段晓晨, 何小刚, 程永强.实时视频SDRAM控制器的FPGA设计与实现[J].太原理工大学报, 2006, 37 (5) :5-8.

[7]谷勇, 艾德峰, 魏延岩.飞机座舱显示系统画面显示质量的研究[J].海军航空工程学院学报, 2009, 24 (6) :631-634.

[8]王利颖, 蒋亚东, 罗凤武.嵌入式实时图像处理系统中SDRAM控制器的实现[J].现代电子技术, 2009 (9) :137-139.

[9]林志煌, 解梅.一种简易SDRAM控制器的设计方法[J].现代电子技术, 2008 (16) :18-20.

[10]张波, 张焕春, 经亚枝.基于DSP和FPGA的座舱图形显示系统关键技术研究[J].信息与控制, 2003, 32 (6) :549-552.

图形自动生成 篇5

1. 圆割型

作图:先画线段AC, 在AC上取一点B.分别以两定点F1, F2为圆心, 以AB, BC为半径作圆, 相交于点P.设置活动点B在AC上移动, 追踪两圆的交点P, 所画的轨迹就是椭圆.

依据:|PF1|+|PF2|=|AB|+|BC|=|AC| (定长)

2. 切线型

作图:先以F1为圆心作圆, 在圆内取异于圆心的一点F2, 并在圆上任取一动点C.连接CF1和CF2, 取CF1的中点M, 画CF1的中垂线交CF2于点P.设置活动点C在圆上移动, 追踪交点P, 所画的轨迹就是椭圆.

依据:|CP|+|PF1|=|PF1|+|PF2|=|CF1|=R (定长)

3. 参数型

作图:分别以a, b长度为半径, 点A为圆心作两个同心圆.过A作平行于x轴的直线交两圆于点B、C, 在大圆上任取一点M, 作射线AM交小圆于点N.过N作BC的平行线, 过M作BC的垂线, 两线相交于点P.设置活动点M在大圆上移动, 追踪交点P, 所画的轨迹就是椭圆.

依据:设参数式 (x, y) = (a cos t, b sin t) , , 这是椭圆的标准方程.

4. 椭圆规

作法:画一条线段j, 在线段j上任作一圆A (选中画圆工具移动到线段上, 线段变粗单击左键, 再移动鼠标到另一位置单击即得到圆) .选中点A和线段j, 选择菜单“构造”中的“垂线”作直线k.在圆A上任作一点B, 选中B和线段j, 选择菜单“构造”中的“平行线”作直线t.选中直线t, 单击菜单“变换”中的“标示镜面”, 再选中A, 单击菜单“变换”中的“反射”, 产生点A′.任作一线段m, 选中线段m和点A′, 在菜单“构造”中选择“以圆心和半径作圆”, 产生圆A′.先后选择点A′和B, 在菜单“构造”选择“射线”, 产生射线n, 分别单击射线n与线段j和圆A′的交点, 产生点C, P.选择点P, 产生追踪效果.设置活动点B在圆A上移动, 生成动画按钮, 所画的轨迹就是椭圆.

5. 圆包烙

作图:以F1为圆心作一圆, 并在圆内取另一焦点F2, 在圆上取一动点M, MF2的中垂线j与MF1的连线交于点A, 过A点作直线j的垂线与F1F2的中垂线相交于点O, 以O点为圆心, OA为半径作圆t.选择圆t, 设置追踪效果.设置动点M在圆c上移动, 生成动画按钮, 圆t的轨迹包烙出一个椭圆.

图形自动生成 篇6

早期的嵌入式装置由于内存、空间等资源有限, 通常采用汇编语言实现相关程序功能, 之后硬件升级换代, 逐渐转入到C语言开发。在复杂的应用领域, 由于C代码量大, 如果手工编写, 存在维护、理解困难的情况。图形化编程是一种面向对象的软件开发方法, 用各种编程符号块搭建程序模型, 用图形化页面设计应用功能, 并将图形程序转换并编译为目标代码, 随后下载到嵌入式装置运行。与传统的手工编写全部代码的方式相比, 图形化编程采用经过测试验证的模块化功能符号搭建程序功能, 开发效率高, 维护调试 方便 ,直观易懂, 已经在电力系统保护测控装置中进行了应用[1,2,3,4,5]。文献 [1] 以Java语言构建一套图形化编程系统, 编程符号块按照IEC 61850的逻辑节点模型设计, 已在中低压微机保护中研发进行了应用。文献 [2] 论述了图形化平台微机保护系统的结构功能、保护元件库的构成, 并对图形化编程和常规编程进行了比较。文献 [3] 介绍了护测控装置配套软件PCS-Ex-plroe研发版本的设计思路 , 将保护测控功能进行模块化设计 ,并结合IEC61850标准进行逻辑节点建模, 用图形化元件的方式实现可视化配置建模, 是一种免编译的配置集成方法。文献 [4] 介绍了基于IEC61131-3标准的可编程功能在变电站中的实现方案、软件功能模型、执行器软件的设计方法, 并在备自投装置中进行了实现。文献 [5] 介绍了该继电保护软件平台的结构, 包括集成环境、装置信息配置工具、编程开发工具、逻辑编译器等功能。

在图形化编程平台软件中, 代码生成是个关键步骤, 如何将图形化的页面程序转换为不同硬件能运行的目标代码尚未有文献专题阐述。先简要介绍跨平台图形化编程平台软件的模块划分, 重点介绍代码生成的若干技术, 包括图形化编程符号的建模方法、图形化符号的拓扑排序算法, 最后介绍了基于开放API接口和脚本调用的代码生成方法、。该方法可灵活定义符号功能, 可形成适合交直流保护测控、柔性输电控制、电力电子等不同场合使用的高质量C代码。

2 图形化编程工具概要

图形化编程工具由图形编辑模块、编程符号库、代码生成模块、编译链接模块、 调试下载模块组成。软件采用C++开发, 界面和图形库基于QT4.7实现, 支持Windows/Linux环境下运行。软件按照分层结构组织应用程序, 以图形化方式展现程序逻辑。图形化编程软件5个主要模块功能如下:

(1) 图形程序编辑模块 : 按照装置-插件-应用的层次结构管理页面程序, 一个工程管理若干个插件, 一个插件管理若干元件, 一个元件管理若干页面。在页面内实例化编程符号块, 按照逻辑关系, 绘制符号间输入输出连线。图形编辑模块支持符号的复制、粘帖、删除、 移动、缩放、取消、恢复等编辑功能。

(2) 编程符号库 : 各种保护逻辑、运算等编程符号块符号文件, 通过符号编辑器设计编程符号块, 可定义代码行为、数据属性、图形外观等内容。

(3) 代码生成模块 : 该模块解析图形页面 , 形成适合不同应用场景运行的C代码。

(4) 编译链接模块: 该模块通过分析C文件依赖关系, 形成Makefile, 并调用交叉编译器将C程序编译链接成目标文件。

(5) 调试下载模块 : 和装置进行通信 , 下载目标文件。并支持以可视化的方式进行图形程序的调试, 在连接线上显示变量实时运行值。

3 图形化程序代码生成技术

图形化代码生成的主要技术包括: 编程符号块的XML建模方法、图形页面的的拓扑排序算法、代码文本形成方法等。

3.1 编程符号块 XML 建模方法

图形化编程采用功能符号作为编程的最小粒度单元, 编程软件提供了常用的符号库, 当面向不同的装置应用时, 存在一些特殊功能需求的需要扩展新的符号块实现, 为方便应用开发人员能基于符号编辑器开发专有的符号块, 需提供一种简单、通用、可扩展的符号建模方法。已有的一些建模方法, 代码体受制于特定格式, 或目标代码受限于专用的编译器[1,2,3,4]。提出一种容易扩展、方便维护的符号块建模方法 , 基于XML的建模方式 , 将编程符号块分为图形表示和代码实体定义两部分。

编程符号块的图形信息包括: 输入输出管脚信息、包围矩形外框信息、在框内显示的参数值、名字等文本内容, 还包括一些个性化的辅助图形信息, 将这些基本图元组合为一个整体。以逻辑与符号OR2的图形为例, XML图形数据建模如下:

其中input表示输入, 有形参名为in1、in2的两个输入点,output表示输出点 , 有名字为out1的输出点 , x表示左上角横坐标, y表示左上角纵坐标, w表示宽度, h表示高度, na表示变量名字, tv表示字符串, text表示文本, rect表示矩形。

常规符号 块的代码 对应1个C函数、以 及相关私 有变量, 在代码实体文件中定义符号的数据和函数。符号的代码基于CDATA整段文本描述, 依次可划分: 帮助文本段、in-clude文件段、参数声明段、 符号变量定义段、变量初始化设置段、功能函数定义段、 脚本段 (可选), 采用类C语言描述, 在后端处理时主要进行形参-实参变量名替换、参数值替换、 条件编译语句处理。例如以某监视块为例, 其代码行为建模如下:

应用人员只需编写上述格式的文本段, 符号编辑器可以分析该文本, 提取符号输入、输出、参数等接口, 根据变量个数自动形成符号的默认图形, 形成符号的图形和代码XML描述文件。

3.2 页面符号排序算法

拓扑排序: 由某个集合上的一个偏序得到该集合上的一个全序, 这个操作称之为拓扑排序[6]。在图形化代码生成中 ,拓扑排序指分析编程符号间的连接关系, 决定符号的执行调用顺序。全序: 设R是集合X上的偏序, 如果对每个x,y∈X必有x Ry或者y Rx, 则称R是集合X上的全序关系[6]。

搭建完图形程序后, 需要对图形页面进行排序, 图形化程序的符号执行顺序是代码生成的关键步骤。已经介绍的排序算法有: 基于符号的拓扑图转换为AOV网、人工指定顺序[1]。基于AOV网的方法, 是把图形符号之间拓扑连接关系用有向图表示, 在图中用顶点表示活动, 用弧表示活动间优先关系。在AOV网中, 不应该出现有向环, 这意味着某项活动以自己为先决条件, 程序的执行流图存在闭环死锁依赖, 但实际应用中图形程序中往往存在反馈闭环, 这需要在排序时进行破环处理。人工指定顺序存在的问题是当图形化页面数量很多时, 设置维护的工作量很大, 例如在编程中间插入一个符号时, 需要手工调整后续符号的排序值。提出一种图形化图形程序的自动化排序算法, 先按照任务队列中页面调度顺序决定页面之间的执行顺序, 实现粗粒度排序, 然后在单页面内, 按照符号位置坐标和输入输出依赖关系形成符号执行顺序。该算法由3个步骤实现。

(1) 将图形化页面的坐标原点设置为图形页面左上角 , x坐标从左到右递增, y坐标从上到下递增, 使用插入排序算法, 先将符号按照y坐标进行升序排序, 当符号的y坐标相同时, 按照符号的x坐标升序排列。这种从左到右、从上到下的初步排序, 符合图形化图形程序的机器视觉。

(2) 图形化页面程序的闭环检测和破环处理。利用符号之间输入输出点的拓扑连接关系形成符号的前驱链表和后继链表, 通过某符号的后续链表递归遍历, 若可回溯到源符号,则存在闭环。如果存在破环符号, 定义如下处理原则: 弱化约束条件, 如果符号存在一个未知的输入, 可优先输出。

(3) 将经过破环处理后的符号间拓扑连接关系转换成改进的AOV网, 按照符号的拓扑依赖关系形成前驱链表和后继链表。在AOV网中以深度优先的法则选一个没有前驱的顶点并输出; 从图中删除该顶点和所有以它为尾的弧; 迭代处理每个节点, 直到处理完页面上的所有符号。

在图1中, 存在4个跨页面连接输入变量, 输入点都为0, 都满足执行条件 , 根据位置初排结果 , in0、in1、in2、in3可先执行 (实际等效于置后续连接输入点处于已知状态)。A、B、C都有1个输入点处于未知 , 并存在闭 环 , 此时弱化 约束, 降格为有1个输入未知的符号可排序, 结合位置初排结果, 最终编程符号块执行顺序为A、B、C。

3.3 基于 C++API 和 Python 混合调用的代码生成技术

3.1节介绍的编程符号块 , 有Rule可选字段 , 对于常规的逻辑、数学运算符号, 可以为空, 但存在一些编程符号, 其代码不一定能用一个任务函数表示, 对应的代码可能是在分布中系统初始化中、或者有部分设置信息需关联输出到配置文本、IEC 61850建模文件中, 此时需要编程软件具有较强的灵活性, 即代码生成工具能提供一些开放的接口, 可以在符号脚本段中调用, 工具通过解释执行脚本段, 完成相关功能。QT库的QObject类和派生类有property属性和c++slot接口 ,可以在Python解释引擎中注册相关实体对象, 在脚本中调用注册对象的API接口, 脚本执行后, 后端处理器输出文本内容, 从而实现灵活可定制的代码输出功能。

以装置为例, 其类定义如下, 其中inst Name为装置实例名属性, get Board Num()是返回插件个数的接口, get Board Num()、get Inst Name()、set Inst Name() 等属性操作、公共slot函数都可作为API服务接口, 在脚本中使用。

基于C++API和Python混合调用的代码生成的关键技术如下:

1) 定义可编程对象和API函数。可编程对象定义包括 :装置 (app)、插件 (board)、元件 (comp)、页面 (page)、符号(sybl)、代码生成器 (coder), 在脚本执行前 , 往脚本引擎中注册这些实体对象, 即可调用相关API服务接口。这些对象的提供的典型slot接口包括:

1装置app-slot: 装置管理若干插件, 可被脚本访问的slot有获取插件个数、根据名字、 槽号查找插件实例 ; 返回整个工程的路径、文件名等信息。

2插件board-slot: 插件管理若干元件, 提供的slot有获取插件的CPU型号、返回元件个数、基于元件名查找元件实例;在插件范围内查找某个指定的符号。

3元件comp-slot: 元件管理若干页面, 提供的slot有获取元件的结构名、实例名、返回页面个数、基于页面名查找页面实例等。

4页面page-slot: 页面管理若干符号和连接线 , 提供的slot有获取页面名、页面任务等级、 符号个数、基于符号ID或序号查找符号实例等。

5符号sybl-slot: 编程符号开放的接口有: 返回输入、输出、参数个数, 根据名字查找变量; 获取符号的ID、排序序号; 根据输入输出点获取关联的连接线对象等。

6代码生成 器coder-slot: 往各子文 本段落的 添加、前置等。

2) 在符号脚本段中调用注册对象的API函数。以一个设置插件4个等级任务周期的符号为例, 其功能是根据4个参数值, 输出4个系统软件定义的全局变量:

上述文本中, sybl是当前符 号块 , get Set Value是开放的API函数 , 返回参数设置值。

3) 启动脚本引擎执行脚本。脚本引擎基于基于Python-Qt2.0库开发 , 封装了相关执行接口 , 执行1个符号脚本的关键伪代码为:

4) 后端输出代码文本 , 将元件对应的c文件的代码文本划分为COMP_VAR (变量定义)、LOCAL_FUNC (局部函数)、PAGE_NEW ( 页面构造 函数 ) 、PAGE_INIT ( 页面初始 化函数)、PAGE_RUN (页面运行函数)、COMP_NEW (元件构造函数)、COMP _INIT (元件初始化函数)、COMP TASK (元件任务函数) 等段落进行组织, 顺次输出相关内容。

4 结语

基于XML的编程符号块函数建模方法, 将编程符号块函数分为若干段, 用C语言编写其中的代码段, 成员变量定义灵活、易于移植, 使功能函数适合多种CPU运行。一种图形化程序拓扑排序算法, 先以位置视觉进行初步排序, 并自动检测闭环和进行破环处理, 最后按照数据流依赖关系形成运行符号执行调用顺序, 无需人工干预过程, 提高了编辑效率。基于C++API和Python调用的代码生成方法, 能去除对系统软件的接口耦合, 并可在多个的应用场景下使用。本方法形成的代码在多个直流保护控制工程 (例如哈郑直流工程、舟山柔性输电控制工程)、SVC、SVG、SFC等电力电子应用程序开发中进行了成功应用。

摘要：研究了嵌入式装置图形程序代码生成的技术,采用XML描述编程符号块,基于数据流依赖对图形符号进行拓扑排序,通过C++开放接口和Python脚本调用相结合形成代码,最终形成高质量的C代码。介绍的图形化代码生成技术已经在保护控制程装置中进行了批量应用。

图形自动生成 篇7

随着电力系统信息化的建设以及智能电网的发展,各类电力应用软件投入越来越多,如EMS/DTS等自动化系统。可视化的图形系统使用户更加有效地对电力系统进行监控、分析、决策,因而每个电力应用软件都有各自的图形界面作为支撑[1,2,3]。电力应用软件的图形绘制普遍采用专用的图形编辑器来实现,通过用户手工绘制和维护这些图形。而实际电力系统的厂站数目是相当可观的,厂站内的接线形式多样,元件数目众多,绘制这些厂站图需要付出相当艰苦的劳动。

目前,真正实现自动绘图的软件较少,有相关文献提出了厂站图自动生成的原理,但其原理比较复杂,实际应用于系统软件效果不佳[4,5,6,7]。本文实现的接线图自动生成是基于目前已开发的图形平台,该图形平台利用面向对象技术创建电网资源,这可以使图元和数据模型一一对应,即图模库一体化,在此平台的基础上利用电网资源拓扑关系和最大化接线方式的电网框架模型排布为依据,通过相关规则的定义自动生成厂站接线图。实现自动绘图不仅能极大地减轻工作人员的负担,提高系统自动配置的能力,而且更有效地支持调度决策,是实现智能化调度的关键技术之一。

1 厂站接线图的自动生成原理

通过对大量厂站图结构的分析可以看出[8]:

1)厂站图反映的是发电厂、变电站以及不同电压等级母线的进出线情况。图中显示的元件主要是母线、开关、变压器、电抗器、电容器等。

2)厂站图的画法是比较规范的,各电压等级的母线、主变压器、进出线等的位置具有一定的规律性。其中,同种接线类型的母线之间仅仅是支路数目上的差别,其模式是固定的。间隔的数目决定了母线的出线数,从而决定了母线的长度。

由于此厂站主接线图自动生成系统是作为一个组成部分而镶嵌在其他电力系统应用程序中的,其整体程序设计如图1所示。

厂站主接线图是由各个间隔组成,如果图中各间隔的位置确定了,那么各种元件的位置也就确定下来了,因此各设备间隔是绘图的基本单位。

根据厂站接线形式是相当规范这个原则,可以采用将有关厂站接线类型及其图形设计的知识和经验整理定义成规则,建立一个可由用户扩充的规则数据库,使图形的绘制问题得以解决。

1)将最高电压等级的母线布置在屏幕的左上部,再分析其他电压等级母线所拥有的支路数,利用规则来确定这些母线在屏幕上的位置。其原则是力求屏幕上下两部分各支路间距趋于均匀。

2)根据主变的台数来确定各个主变的位置。

3)搜索电网资源数据库来确定各组母线所包含的支路位置,支路间距可根据屏幕上部或下部的总支路数而计算出来。

4)基于最大化的电网框架模型和电网拓扑数据库来确定元件之间的连接关系。

2 软件图形系统和网络拓扑结构的表示

2.1 软件图形系统

本图形系统设计了具有Windows风格的界面,创建了一个工作区间窗口,以进行图元编辑及管理,并设计工具条以及一系列界面美观、交互方便的对话框。图形界面如图2所示。

图形系统实现的功能如下。

1)元件管理功能。实现元件的创建、元件的删除,以及元件之间的连接关系等。

2)图元定义功能。开发图元编辑器,使用户可以便捷迅速地定制出所需样式的设备图元。

3)图形编辑功能。设置元件的属性(参数、外形的改变、旋转、可见性等)、元件的拷贝、粘贴、搜索、命名,元件对齐等。

4)图形显示与应用功能。主要包括图形元件的显示,元件颜色的变化,元件的闪烁,文本数据的显示,图形的缩放、图形的打印,整图或区域内图形的拷贝、粘贴、删除,图形背景设置等。

5)图形系统接口。图形系统的接口是系统与外界联系的手段。接口有四大类:图形系统外部应用接口、标准消息接口、图形数据库接口、层显示窗口的驱动与窗口消息处理接口。当平台与数据库进行连接时,采用微软标准的ADO数据库接口访问数据库;当平台与其他应用程序进行连接时,只要更改设置文件中的数据源字段即可。

2.2 网络拓扑结构的表示

从系统结构上来讲,需要把图形元件及拓扑信息切分出来,组成反映电气设备参数的信息库、元件及元件连接信息的电网资源数据库,以及存放拓扑结构数据的网络拓扑结构数据库,在构成系统的网络拓扑时,分别编制相应子系统的网络拓扑结构表。为实现基于图形描述的节点/支路的电网设备拓扑结构模型,每个子系统网络拓扑结构表中都有设备端点描述,即标端1、标端1名、统端1、指定连接。界面如图3所示。

3 自动绘图的实现

3.1 自动绘图规则库的建立

为实现计算机自动绘图,主要的工作是正确地制定自动绘制的规则库和通用电网框架模型,在分析、设计和实现时,应使规则的描述与所面对的实际绘图思想一致。其基本思想是,首先将图形界面做粗线条划分,然后用摆放节点中主要母线的方式,确定各个节点的大致方位与空间,同时在节点间留有足够的间隔,以宜于长距离支路的绘制,再绘母线间元件,最后完成图元之间及元件与母线间的简单支路(短距离,无转折点)和复杂支路(远距离,有转折点)的绘制。通常将规则分为以下几类。

1)设备间隔类型的定义:每条规则对应着一种接线方式下的设备间隔类型,包括了该间隔所含的各种元件及相互连接关系。

2)布线规则的定义:每条规则对应着布线时分析计算的一个步骤,包括了分析的对象,分析的方法,如根据母线的出线数目计算母线的长度。

在进行推理时,先通过启动一个规则库编译模块,读入规则库文本文件,生成规则的双链表数据结构和节点推导的规则表和目标节点表的链表结构。以数据库中电网拓扑结构作为前提采用自上而下的方法建立推理网络。设计对规则在自动绘图时进行最有效的解释与选择的控制模块。控制模块采用正向链推理,规定了如何选择一条可用的规则对信息与图元数据库进行操作,即决定着问题求解过程的推理路线。在自动绘图的问题上,控制策略来源于对接线图结构特点的分析,当对这些控制策略优化组合之后,就可以极大程度地减少问题搜索空间,提高布线效率。

3.2 各线路模块的布线

将图形编辑空间分为五个模块,分别为:高压线路模块、主变压器模块、中压线路模块、低压线路模块、以及附加模块。

1)在高压线路模块中,接线方式一般有单母线、双母线、双母线分段、双母线带旁路等,可以根据建立的电网资源类型来自动确定高压线路模块中高压母线的布线情况。

高压线路模块由多个间隔构成,包括线路间隔、母联间隔、主变间隔、母分间隔、PT间隔等。其中,每一个间隔的高度是一致的,其宽度根据不同类型的间隔相应地改变(用户可以事先制定每一个间隔的宽度),这样,高压线路模块的宽度就是由这些间隔的宽度相加而成。高压线路模块就是将这些间隔组合起来,如图4所示。

在制定每一种接线方式下的通用电网框架模型时,要使其中所包含元件的数量最大化,这样当对应的间隔中不含某电力元件时,只需不显示对应位置上的设备即可。如双母线的出线间隔,电网框架模型设置了Ⅰ母刀闸、Ⅱ母刀闸、断路器、线路刀闸、两个断路器接地刀闸、一个线路接地刀闸和一个内节点。出线模型如图5所示。

布置间隔时,将线路出线间隔布在母线上方,将电压互感器间隔布在母线下方,将母联间隔布在母线上方,将主变间隔布在母线下方等。

2)在主变压器模块的设置中,主要是设置主变压器模型的位置。首先,搜索电网资源中主变压器的台数以及种类,并在电网资源模块中规定多个变压器按照从左到右的顺序排列,然后按照搜索的变压器的个数将主变压器模块分为多个间隔,再根据变压器的先后顺序一次在对应的间隔中绘制不同的变压器。如图6所示。

如图6所示,搜索到该厂站的电网资源中,有两个主变压器,且顺序先后为双绕组变压器和三绕组变压器,则将变压器模块分为两部分,且按先后顺序将双绕组变压器和三绕组变压器依次排列在该模块中。

3)在中、低压线路模块和附加模块中,其方法和高压线路模块基本相似,根据各模块中需要的间隔将该模块分为许多个子模块,然后在事先生成的母线之后,依次将各个间隔排列在各子模块中。其中,一般规定中、低压线路的出线间隔排列在母线下侧,主变间隔排列在母线上侧,这样能够使绘制图形看的美观。

3.3 线路的走线

每一个子模块的虚线附近均留有一定的走线空间,为的是给各个节点之间连接预留线路的位置,合理、清晰、整洁的线路图形,将使线路产生的交点数最少,使用户查看厂站图更直观,具体的走线方法如下:

1)直接走线法。当两个节点在纵向或者横向相邻时采用,直线连接两节点即可,见图7(图中代表引出线连接处)。

2)双折线法。当两个节点在横向、纵向都不相邻时采用双折线,可以完成任意两个节点的连接,见图8。

3)四折线法。在躲过节点、支路时采用四折线,如图9。左右两个节点本来可以直接相连,但是由于中间节点的存在,于是采用四折线法。

3.4 应用与测试

自动绘图功能已通过测试,作为图形系统的一个重要组成部分。系统已成功地自动生成了呼伦贝尔地区电网调度所辖的各个厂站接线图。图10是自动生成的金河变。

4 结语

本文在对电网的拓扑结构特点和厂站主接线图的规范性及规律性分析基础上,利用计算机图形理论、数据库技术和人工智能技术,对电力系统厂站接线图自动绘制系统进行了深入研究。

系统自动绘图功能基于规则集的技术,以电网资源拓扑关系和最大化接线方式的电网框架模型排布为依据,自动生成厂站接线图。通过实际对比,完成一个包括100个厂站的地区电网,由人工绘制一般需要将近一个月的时间,系统自动绘图的实现则可大大减少工作量,只需要一周的时间便可完成图形的绘制工作。自动绘图的实现对提高工作效率具有非常重要的意义。本系统提供了通用的图形平台,在数据库基础上为其他电力系统分析软件提供接口。

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