摘 要： 開發(fā)了一個(gè)VS2008環(huán)境下,，基于WPF平臺(tái)的交互式繪圖系統(tǒng),。該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理、圖論知識(shí)和Windows表現(xiàn)層基礎(chǔ)類庫(kù),，實(shí)現(xiàn)了基本圖形元素的繪制,、編輯與修改，以及圖形文件的打開,、保存,、打印等操作，并提供了自定義的圖形數(shù)據(jù)文件格式與DXF格式相互轉(zhuǎn)換的功能,。
關(guān)鍵詞： 圖形,； WPF； 系統(tǒng)
交互式繪圖系統(tǒng)是指能為用戶提供交互式操作支持,，使用戶通過鼠標(biāo),、鍵盤和手寫筆等在圖形終端上輸入數(shù)據(jù)和圖形信息，進(jìn)行繪圖,，并對(duì)生成的圖形進(jìn)行修改,、編輯等操作，設(shè)計(jì)完成后,，保存設(shè)計(jì)結(jié)果,，最終在顯示屏或其他外部設(shè)備上進(jìn)行圖形輸出的一整套設(shè)計(jì)及其應(yīng)用軟件，在CAD,、辦公自動(dòng)化和其他領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有繪圖軟件繪制復(fù)雜圖形時(shí)會(huì)占用大量CPU，消耗大量?jī)?nèi)存,，從而導(dǎo)致界面失去響應(yīng),。WPF是一個(gè)新的編程模型，與傳統(tǒng)GDI/GDI+繪圖模型相比,，WPF將CPU和GPU分開來利用,，由于GPU的浮點(diǎn)計(jì)算能力遠(yuǎn)高于CPU,從而保證了大量計(jì)算的優(yōu)先性，同時(shí)也能最小化CPU 使用率,。WPF以DirectX作為核心繪圖函數(shù),，DirectX繪圖速度高于GDI/GDI+，能產(chǎn)生更好的視覺效果,。對(duì)于需要大量浮點(diǎn)運(yùn)算的圖形圖像來說,， WPF是一個(gè)很好的選擇。本文介紹了在VS2008環(huán)境下,，以WPF為平臺(tái),，用C#編寫開發(fā)的一個(gè)交互式圖形系統(tǒng),。
1交互式繪圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)
基于WPF的交互式繪圖系統(tǒng)主要由輸入單元、基本繪圖單元,、圖元編輯單元,、圖元修改單元、屬性設(shè)置單元,、輸出單元組成,。系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：
(1)基本圖形元素（點(diǎn),、直線,、折線、圓形,、圓弧,、橢圓、矩形,、多邊形,、B樣條、閉合B樣條）以及文本的動(dòng)態(tài)繪制與生成功能,；
(2)編輯修改功能：對(duì)象的拾取,、刪除、復(fù)制,、鏡像,、陣列、移動(dòng),、旋轉(zhuǎn),、填充,、裁剪,，平移縮放視圖，測(cè)量封閉區(qū)域的面積,；
(3)屬性的設(shè)置：包括對(duì)圖元的圖層,、線型、線寬,、顏色,；系統(tǒng)的背景色，文字的高度等屬性進(jìn)行設(shè)置,；
(4)圖形數(shù)據(jù)文件的讀取,、保存、打印等操作,。
1.2 開發(fā)平臺(tái)的選擇
目前Windows環(huán)境下的圖形程序接口主要有GDI/GDI+,、Direct3D,、OpenGL、WPF四種,。GDI/GDI+通常是一個(gè)靜態(tài)的顯示系統(tǒng),，只有有限的動(dòng)畫支持，此外GDI/GDI+只支持二維圖形開發(fā),。OpenGL是一個(gè)開放的三維圖形軟件包,，由于它是圖形的底層圖形庫(kù)，沒有提供幾何實(shí)體圖元,，不能直接用以描述場(chǎng)景,。Direct3D以COM接口形式提供，所以較為復(fù)雜,，穩(wěn)定性差,。WPF是微軟新一代圖形系統(tǒng)，運(yùn)行在.NET Framework 3.0架構(gòu)下,。WPF 的核心是一個(gè)與分辨率無關(guān)并且基于向量的呈現(xiàn)引擎,，旨在利用現(xiàn)代圖形硬件的優(yōu)勢(shì)來最小化 CPU 使用率。在WPF中,，底層的圖形技術(shù)不再是GDI/GDI+,，而是DirectX。
WPF在圖形與界面開發(fā)方面,主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)[1]：
(1)豐富的繪圖模型與文本模型,。不同于以往的逐個(gè)像素的繪制,，在WPF中可以直接處理基本形狀、文本框以及其他UI元素,。
(2)獨(dú)立的圖形解析,。WPF 圖形系統(tǒng)的基本度量單位是與設(shè)備無關(guān)的像素，它等于1英寸的 1/96,。不管實(shí)際的屏幕分辨率是多少,，每個(gè)與設(shè)備無關(guān)的像素都會(huì)自動(dòng)縮放，以符合呈現(xiàn)該像素的系統(tǒng)上的每英寸點(diǎn)數(shù) (dpi) 設(shè)置,。
2交互式繪圖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)的功能界面
交互式繪圖系統(tǒng)的界面窗口主要由標(biāo)題欄,、菜單欄、工具欄,、繪圖區(qū),、工具箱、消息框和狀態(tài)欄組成,，如圖2所示,。
2.2 系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)
2.2.1 系統(tǒng)的窗口框架
WPF包含兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的編程接口，通常使用可擴(kuò)展應(yīng)用程序標(biāo)記語(yǔ)言 (XAML) 標(biāo)記實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的外觀,，而使用托管編程語(yǔ)言(代碼隱藏)實(shí)現(xiàn)其行為,。WPF中的Menu控件,、ToolBar控件、StatusBar控件,、GroupBox控件,、TextBox控件以及Canvas面板[2]分別構(gòu)成了應(yīng)用程序主窗口頂端的菜單欄、工具欄,、底端的狀態(tài)欄與客戶區(qū)左邊的工具箱,、下方的消息框以及繪圖區(qū)。系統(tǒng)使用鼠標(biāo)和鍵盤輸入來繪制圖形,，Canvas 面板是用于創(chuàng)建復(fù)雜繪圖的特別理想的選擇,，因?yàn)樗С謱?duì)其子對(duì)象的絕對(duì)定位?？蚣艽翱诘倪壿嫎浜?jiǎn)圖如圖3所示,。
2.2.2 圖形的繪制與編輯功能
WPF提供了Shapes庫(kù)來顯示矢量圖,，WPF中的基本圖形類主要位于System.Windows.Shapes命名空間,。Shape類是所有圖形類的基類,它定義了Stroke、StrokeThickness,、Fill等通用屬性,，用來繪制形狀輪廓的顏色、粗細(xì)以及形狀的內(nèi)部填充,。具體的圖形元素類（Line,、Path、Polygon,、Polyline,、Ellipse、Rectangle）都由其派生而來,。2D相關(guān)類型的層次結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,。
Canvas 是頂級(jí)布局控件，Canvas面板類似傳統(tǒng)的圖形環(huán)境,，利用坐標(biāo)位置指定對(duì)象的擺放地點(diǎn),。Canvas的左上角為原點(diǎn),，X坐標(biāo)向右,，Y坐標(biāo)向下。而一般的圖形系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定在繪圖區(qū)的左下角,，X坐標(biāo)水平向右,，Y坐標(biāo)豎直向上，因此可利用WPF的Transform類,，通過設(shè)定Canvas的RenderTransform來實(shí)現(xiàn)[3],。為了使圖元大小根據(jù)窗口的大小進(jìn)行縮放,，可以將Canvas放在Viewbox內(nèi)。以下是實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換的XAML片段：
<Viewbox>
<Canvas RenderTransformOrigin="0.5,0.5">
<Canvas.RenderTransform>
<TransformGroup >
<ScaleTransform ScaleY="-1" />
</TransformGroup>
</Canvas.RenderTransform>
</Canvas>
</Viewbox>
圖形元素的編輯與修改功能主要依靠計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基本原理以及Windows表現(xiàn)層基礎(chǔ)類庫(kù)(WPF)來實(shí)現(xiàn),。WPF的System.Printing命名空間下的PrintDialog類主要用來實(shí)現(xiàn)打印單頁(yè)或多頁(yè)文件的功能,，PrintDialog類顯示一個(gè)打印對(duì)話框，與用戶交互操作來完成打印功能,。
2.2.3 曲線曲面造型功能
曲線曲面造型[4]是計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)(CAGD)的核心,，也是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。三次B樣條曲線是曲線學(xué)中一個(gè)重要部分,，它不但保留了Bezier曲線的優(yōu)點(diǎn),，而且克服了其不具備局部性質(zhì)的缺點(diǎn)，能更好地表示與設(shè)計(jì)自由型曲線曲面,，通過幾個(gè)控制點(diǎn)的移動(dòng)能形成不同的曲線,。系統(tǒng)提供了繪制B樣條曲線與閉合B樣條曲線的功能。繪制圖形如圖5所示,。
動(dòng)態(tài)生成B樣條曲線的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
(1)設(shè)定一個(gè)點(diǎn)集合List<Point> mousepts保存鼠標(biāo)左鍵所按下的序列點(diǎn);
(2)在鼠標(biāo)移動(dòng)過程中把鼠標(biāo)的當(dāng)前位置作為B樣條曲線的臨時(shí)終點(diǎn),，加入點(diǎn)集合mousepts;
(3)由點(diǎn)集合mousepts中的這些序列點(diǎn)反求B樣條曲線的控制頂點(diǎn)[5];
(4)利用求出的B樣條曲線的控制頂點(diǎn)得到B樣條曲線上的序列離散點(diǎn);
(5)將序列離散點(diǎn)依次加入多段線Polyline的Points集合，從而生成B樣條曲線,。
3 圖形數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)與讀取
系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)文件的輸出包含JPG和DXF兩種格式,。由于AutoCAD在全世界應(yīng)用非常廣泛，它的數(shù)據(jù)文件格式DXF已經(jīng)成為事實(shí)上的一種標(biāo)準(zhǔn),，因此系統(tǒng)提供了自定義的圖形數(shù)據(jù)文件格式與DXF格式相互轉(zhuǎn)換的功能,。DXF 文件本質(zhì)上由代碼及關(guān)聯(lián)值對(duì)組成。代碼（通常稱為組碼）表明其后的值的類型,。使用這些組碼和值對(duì),，可以將 DXF 文件組織到由記錄組成的區(qū)域中，這些記錄由組碼和數(shù)據(jù)項(xiàng)目組成,。在 DXF 文件中,，每個(gè)組碼和值都各占一行。DXF文件完整的結(jié)構(gòu)[6]如圖6所示,。
程序中設(shè)計(jì)了兩個(gè)基類ReadDXF和WriteDXF來分別讀取和寫入DXF文件,。ReadDXF讀取 DXF 文件，并且從給定段的給定對(duì)象中提取特定代碼和值,。與讀取 DXF 文件相比,，寫入DXF文件更困難一些，因?yàn)楸仨毐３謭D形的一致性,，這樣 AutoCAD 才能找到可接受的文件,。AutoCAD 允許省略 DXF 文件中的很多項(xiàng)目，仍然能夠獲得可用的圖形,，但文件結(jié)尾處必須存在 EOF 項(xiàng)目,。為了簡(jiǎn)便,，WriteDXF省略了整個(gè)HEADER段、TABLES 段和BLOCKS 段,，只包含 ENTITIES 段,。
隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖形輸入,、圖形輸出設(shè)備的發(fā)展,，計(jì)算機(jī)圖形軟件系統(tǒng)也有了很大的發(fā)展[7]。本文詳細(xì)介紹了基于WPF的交互式繪圖系統(tǒng)的功能與設(shè)計(jì),，并探討了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的若干關(guān)鍵技術(shù),。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其他圖形軟件具有的基本操作，并提供了自定義的圖形數(shù)據(jù)文件格式與DXF格式相互轉(zhuǎn)換的功能,，操作方便,，靈活，具有可擴(kuò)展性,，經(jīng)過改進(jìn)還可以成為適用于其它行業(yè)的通用的圖形工具軟件,。
參考文獻(xiàn)
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