软件工程思想-第12章
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图5。8 支持协同工作的交互式三维图形软件开发系统
5。5。2 通用交互式三维图形软件开发工具 Intra3D 2。0
Intra3D 2。0的核心是集成了场景数据结构、图形对象、三维交互算法和图形用户界面的C＋＋类库与（ponent Object Model）对象库，支持Visual C＋＋、Visual Basic、Delphi等语言的应用编程。Intra3D的核心库分四层创建：
（1）第一层为“基础对象与函数”（Basic Objects and Functions）；
（2）第二层为“图形对象”（Graphical Objects）；
（3）第三层为“场景图与节点”（Scene Graph and Nodes）；
（4）第四层为“绘制与交互”（Rendering and Interaction）。
体系结构如图5。9所示，其中高层构件可以引用低层构件，但低层构件不能引用高层构件。
图5。9 Intra3D 2。0 的体系结构
Intra3D 2。0是免费软件，有配套书籍《交互式三维图形技术与程序设计》。标准版软件约25兆，核心库7万多行C＋＋代码全部公开，用户可以方便地修改内核以适应不同的需求。
5。5。2。1 主要模块和功能
一、基础对象与函数层
（1）定义了用于对象引用计数的内存管理基类；
（2）矢量、矩阵与四元组运算，鼠标跟踪球算法；
（3）点阵字体与三维矢量字体输出，常用于数据可视化图形的数据标注；
（4）图像输入输出以及纹理映射，支持BMP、GIF、JPEG、SGI、TGA等图像格式；
（5）常用几何图元的绘制，如锥、柱、球、环等，并支持Swept形体，螺旋体的绘制；
（6）提供450余种材质，在第四层中可以交互式编辑这些材质。
二、图形对象层
图形对象能将数据转化为几何模型并可以绘制出来。Intra3D 2。0版提供了三类图形对象：
（1）常用几何对象，如长方体、锥体、圆柱体、球体、圆环体、Swept形体等；
（2）多边形模型对象，可用于绘制Autodesk公司。3ds模型和Wavefront公司的。obj模型；
（3）商业统计图形对象，如柱形图、带状图、条形图、折线图、面积图、饼图、塔形图、曲线图、曲面图、进程图、股票图等。
图形对象的开发与应用问题密切相关，用户可以使用继承方法扩充新的图形对象，而不会影响到其它三层的构件。
三、场景图与节点
场景图（Scene Graph）是有向无环图，Scene Graph的主要节点有：（1）SceneNode是所有节点的基类。在SceneNode中定义了局部坐标系以及相应的图形变换，这样便于第四层以同样的操作方式实现三维交互。（2）相机节点（CameraNode）支持平行投影与透视投影，支持多个相机切换。（3）光源节点有三种：平行光源节点（DirLightNode）、点光源节点（PointLightNode）和锥光源节点（SpotLightNode）。（4）形体节点（ShapeNode）用于引用图形对象，有关图形对象的三维交互均由ShapeNode处理。
四、绘制与交互层
Intra3D的交互分两类：一类是对形体、光源和相机的直接操作，另一类是真实感属性的编辑。Intra3D的场景视图构件（SceneView）封装了交互式绘制的所有细节，如消息处理、场景节点的遍历绘制、多重采样消锯齿、鼠标交互等。为了便于编辑真实感属性，Intra3D定制了一些常用对话：矢量字体对话（FontDialog）、颜色对话（ColorDialog）、材质库对话（MaterialLibDialog）、材质对话（MaterialDialog）与光源对话（DirLightDialog； PointLightDialog； SpotLightDialog）。
5。5。2。2 用户界面设计
Intra3D的场景视图构件SceneView用于快速创建交互式3D应用程序的主界面。SceneView支持selecting、scaling、rotating、translating、creating、deleting等三十余种操作，并提供工具条方便于交互，如图5。10所示。
为了编辑真实感属性，常需在对话框中绘制3D 图形。Microsoft的窗口系统不提供3D的对话窗口。使用Intra3D的Window3D构件可在对话框中创建多个3D视图，图5。11的材质对话和图5。12的材质库对话都使用了Window3D构件。颜色编辑是3D图形程序中最常用的交互，材质与光源的编辑实际上是通过改变颜色分量来实现的。需要进行颜色编辑的交互均涉及HSV与RGB模式的颜色转换。Intra3D的“绘制与交互层”实现了这些计算，并且提供彩色的滑动条用于鼠标交互。图5。13、图5。14分别为点光源对话和颜色对话。
图5。10 用于直接操作的三维交互工具条
图5。11 材质对话 图5。12 材质库对话
图5。13 点光源对话 图5。14 颜色对话
5。5。3 支持协同工作的网络通讯开发系统 CNC 1。0
最简单的协同工作模式是让两个客户机直接通讯，可以用Socket编程实现。假设有 n 个客户机参加协同工作，每个客户机将与所有其它的客户机通讯。那么总共存在n（n…1）/2 个Socket直接通讯，并且每个客户机的变动将导致其它客户机的修改。这种Socket直接通讯使得协同工作的管理和客户机的程序设计变得非常困难。CNC系统提供了支持“发布—订阅（Publish…Subscribe）”与“组播（Multicast）” 模式的服务器与API，可以高效地管理多个组群的协同工作，并使得客户机的程序设计十分简单。CNC 1。0的系统结构如图5。15所示。
CNC 服务器将客户机分组管理。在“发布—订阅”模式中，将产生数据的进程称为生产者（Producer），将接受数据的进程称为消费者（Consumer）。生产者可以向服务器发布数据，服务器保存这些数据。消费者可以向服务器订阅数据。每个客户机可能是很多数据的生产者或消费者。同一时刻，CNC系统允许有任意多个生产者和消费者存在。CNC的“发布—订阅” 功能是用TCP协议实现的。
在“组播” 模式中，服务器动态地分配每个组的组播地址。客户机可以向服务器申请加入任意组，允许向任意组播放消息，服务器不保存这些组播消息。CNC的“组播”功能是用UDP协议实现的。
图5。15 CNC 1。0 的系统结构
5。5。3。1 CNC 客户机的API设计
类CNCClient客户机用来实现“发布—订阅”和“组播”功能，主要接口（公有函数）如下：
class CNCClient
｛public：
BOOL Connect（…）；// 连接服务器
BOOL Disconnect（）；// 与服务器断开连接
BOOL PublishData（…）；// 向服务器发布数据
BOOL QueryData（…）； // 向服务器查询数据
BOOL SubscribeData（…）；// 向服务器订阅数据
GROUPIP QueryGroupIP（…）； // 向服务器查询组播地址
DWORD MulticastMessage（…）；// 发送组播消息
virtual void MessageResponse（…）；// 响应组播消息
…
｝；
一、客户程序的“发布”协议
客户机向服务器发布的每个数据报均含有数据类型、工作组名称、数据名称、生命期和数据长度的信息。报文格式如图5。16所示，数据结构见 DataPublish ：
struct DataPublish
｛
BYTE iDataType；// 2 个字节数据类型，宏定义为DATA_PUBLISH
charstrGroupName＇16＇；// 16个字节的工作组名字
charstrDataName＇16＇；// 16个字节的数据名字
DWORDdwLifeTime；// 4 个字节的数据生命期，以秒为单位
DWORDdwLength；// 4 个字节的数据内容的长度
char*pchContent；// 数据内容
｝；
2字节 16字节 16字节 4字节 4字节
图5。16 用于发布的报文格式
二、客户程序的“订阅”协议
客户机向服务器订阅数据分两步实现：
（1）先调用函数QueryData向服务器发送一个 DataQuery格式的报文，用于查询要订阅的数据是否存在。
struct DataQuery
｛
BYTEiDataType；// 2 个字节数据类型，宏定义为DATA_QUERY
char strGroupName＇16＇；// 16个字节的工作组名字
char strDataName＇16＇； // 16个字节的数据名字
｝；
（2）服务器接收到查询时，按照 DataQuery结构中的strGroupName和strDataName进行搜索。如果该数据不存在，Server向Client发送一个FALSE标志。如果该数据存在，服务器先向客户机发送一个TRUE标志，之后立即再向客户机发送该数据（DataPublish格式）。
如果客户机得到TRUE标志的查询结果，就调用函数SubscribeData来接收服务器发送过来的数据。
三、客户程序的“组播”协议
客户机先调用函数QueryGroupIP向服务器发送一个GroupAddress格式的报文，用于查询组播地址。服务器返回相应的十进制点分式的IP地址。
struct GroupAddress
｛
BYTEiDataType；// 2 个字节数据类型，宏定义为GROUP_ADDRESS
char strGroupName＇16＇；// 16个字节的工作组名字
｝；
客户机调用函数MulticastMessage向指定的组（根据组播地址）播放消息。组播的数据报结构 DataMulticast定义如下：
struct DataMulticast
｛
DWORDdwContentType；// 组播的数据报类型，由用户定义
char*pchContent；// 组播的数据报内容，由用户定义
｝；
如果客户机接收到组播的消息，将自动调用函数MessageResponse来响应该消息。MessageResponse是虚函数，它将根据dwContentType信息决定如何处理到来的组播消息，具体功能由用户定义。
5。5。3。2 CNC 服务器的设计
一、数据结构
CNC 服务器的数据结构主要由三部分组成：
（1）一张用于管理组播地址的链表。组播地址由服务器动态生成，客户机可以向服务器查询任意组的组播地址。
（2）一张用于管理线程指针的链表。服务器采用多线程并发处理技术，使客户机获得最快的响应。
（3）每个组都有一张用于管理“发布—订阅”的数据的Hash表。由于同一时刻，系统可能存在多个生产者与消费者，数据的存入、取出速度成为服务器性能的重要指标。Hash表可以提供比链表更快的数据检索速度。Hash表中的数据项结构见DataElement ：
struct DataElement
｛
charstrGroupName＇16＇；// 工作组的名称
charstrDataName＇16＇；// 数据的名称
BYTEiStorageType；// 存储类型： STORAGE_FILE 或 STORAGE_MEMORY
ColeDateTimeTimeToDie；// 作废时刻
BOOLbLock；// 锁定标志： TRUE 或 FALSE
DWORDdwLength；// 数据的长度
char*pchContent；// 数据内容
｝；
存储类型（iStorageType）的用途：把数据全部保存在内存中将非常消耗服务器的内存资源，在很多情况下是没有必要的。为了提高内存的使用效率，服务器仅把生命期较短或者长度较短的数据保存在内存中（即为STORAGE_MEMORY类型），而把生命期较长或者长度较长的数据保存在文件中（即为STORAGE_FILE类型）。
作废时刻（TimeToDie）的用途：客户机发布的数据均指定了生命期，服务器在接收到数据时即可计算出作废时刻。服务器将定期扫描Hash表，若发现有数据超出作废时刻（并且没有被锁定），即可删除此数据。
锁定标志（bLock）的用途：很多客户机可能同时订阅某个数据，而该数据可能已超出作废时刻即将被删除。为避免冲突，规定只要有客户机订阅数据，就用iLock标志来锁定此数据，直到订阅完成后才消除锁定。
二、多线程并发技术
服务器有一个主线程和多个子线程。主线程负责客户机的入连接请求，然后创建一个子线程来处理这个TCP连接。每个子线程按照CNC API的协议与客户机通讯。由于有多个子线程共享服务器中的数据，多线程对共享资源的同步访问成为实现的难点。CNC 主要采用了关键区、互斥对象等同步手段解决这个问题。
三、Winsock的使用
CNC 1。0运行于Windows 9x/NT系统下，底层的网络通讯程序用Winsock编写。Winsock有两种工作方式：阻塞方式和非阻塞方式。阻塞方式的优点是编程简单，可靠性好。缺点是容易使应用程序阻塞住，不能处理其它事务。非阻塞方式是利用Windows 消息机制实现的。优点是在数据到来的时候，系统向应用程序窗口发送消息，使得应用程序不必总在等待数据，提高了工作效率。缺点是在发送和接收数据时，应用程序并不将事情做完（不阻塞），以至于应用程序要维护复�
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