趙 月，王建華

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

虛擬漫游是在真實(shí)場(chǎng)景或虛擬場(chǎng)景中，借助必要的裝備以自然的方式在該場(chǎng)景中進(jìn)行漫游，從任意角度對(duì)環(huán)境中虛擬對(duì)象進(jìn)行觀察，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，同時(shí)也可以對(duì)其中的物體進(jìn)行規(guī)劃和操作。

文中是為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)虛擬環(huán)境中的漫游，建立視景驅(qū)動(dòng)框架實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景的變化。Vega Prime（VP）提供多種開(kāi)發(fā)模式[1]，一是使用 VP的 Lynx Prime圖形界面，適合簡(jiǎn)單交互性不高的小系統(tǒng)；二是運(yùn)用VP的API函數(shù)進(jìn)行的開(kāi)發(fā)，通過(guò)C++編程，調(diào)用VP的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)視景的驅(qū)動(dòng)，可以開(kāi)發(fā)較復(fù)雜的系統(tǒng)；三是結(jié)合前兩種模式進(jìn)行的全面開(kāi)發(fā)，首先通過(guò)Lynx Prime用戶界面建立acf文件，再將VP的API函數(shù)與已經(jīng)配置完成的acf文件進(jìn)行結(jié)合。文中采用第3種模式，可以大幅減少源代碼開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低對(duì)開(kāi)發(fā)人員要求，這是也最常用的開(kāi)發(fā)模式。

鑒于MFC的開(kāi)發(fā)框架有著友好的交互界面和消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，本文詳細(xì)介紹了在MFC框架下開(kāi)發(fā)基于Vega Prime視景驅(qū)動(dòng)程序的方法。

1 建立基于MFC的VP視景驅(qū)動(dòng)程序

實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景的漫游，首先需要解決的是三維視景實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，在Windows平臺(tái)上進(jìn)行VP開(kāi)發(fā)，采用VC++編程。MFC基于文檔/視圖結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序框架結(jié)構(gòu)是開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)用程序的主要框架結(jié)構(gòu)。文檔對(duì)象用于保存應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，視圖對(duì)象用于數(shù)據(jù)的顯示和用戶的交互[2]。兩種結(jié)構(gòu)聯(lián)系又獨(dú)立，分工明確，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程

MFC提供多線程應(yīng)用程序編程[3]，包括用戶界面線程UI（User Interface）和工作者線程，兩種線程區(qū)別于UI線程有消息循環(huán)功能，工作者線程沒(méi)有。UI線程既是MFC的主線程，進(jìn)行創(chuàng)建窗口并處理發(fā)送到該窗口的消息，作為主要仿真界面，負(fù)責(zé)開(kāi)啟VP線程、終止VP線程等，控制VP仿真過(guò)程。相對(duì)UI線程外的其它線程是工作者線程。在MFC下實(shí)現(xiàn)VP程序，即創(chuàng)建一工作者線程，在線程主函數(shù)里調(diào)用VP初始化函數(shù)和執(zhí)行主循環(huán)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

基于MFC的VP窗口顯示包含了MFC和VP窗口。MFC窗口應(yīng)作為VP窗口的父窗口，配置過(guò)程中將要利用VP中vr Window 類提供的 setParent（Window win）函數(shù)[4]，將 MFC 的視圖類CView窗口句柄m_hWnd傳遞到vpWindow窗口即可。

假設(shè)基于MFC的VP項(xiàng)目名稱為MFCVP。

VP工作線程控制函數(shù)主要代碼如下：

啟動(dòng)VP工作線程主要代碼：

中止VP工作線程，在UI線程結(jié)束之前，應(yīng)先結(jié)束VP工作線程。因?yàn)閂P是基于多線程的，若直接退出主線程會(huì)引發(fā)異常。

//中止VP工作線程主要代碼：

2 MFC框架下VP的問(wèn)題分析及解決

MFC類庫(kù)編程環(huán)境下調(diào)用VP基本采用如下的方法：

首先單獨(dú)創(chuàng)建一工作線程運(yùn)行VP整個(gè)程序流程，包括初始化、定義、配置、仿真循環(huán)。然后在MFC框架視圖類中添加成員函數(shù)負(fù)責(zé)開(kāi)啟線程。再利用API函數(shù)AfxBeginThread（）開(kāi)啟VP線程[5]，并將該視圖類的指針傳到VP線程中，作為線程函數(shù)的輸入?yún)?shù)，這樣使得文檔類和視圖類的公有成員變量在VP線程中可以被方便的讀寫(xiě)，編程的靈活性得到了提高。

但這樣的方案卻存在著問(wèn)題，因?yàn)橐晥D類（CView）的指針被傳送到主線程之外其它線程中去，使得不同線程在運(yùn)行時(shí)可以訪問(wèn)到相同的CView類實(shí)例，而MFC類庫(kù)本身設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮到多線程的訪問(wèn)，所以在線程間傳遞視圖類（CView）是不安全的。

2.1 在VP線程中更新視圖時(shí)訪問(wèn)保護(hù)異常錯(cuò)誤的研究

在實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，在不退出當(dāng)前應(yīng)用程序前提下進(jìn)行更新視圖會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。VP線程在沒(méi)有退出的情況下進(jìn)行重新配置將導(dǎo)致失敗，那么終止正在運(yùn)行的線程，然后再重新開(kāi)啟一新的線程，在初始化VP階段時(shí)，VP也會(huì)出現(xiàn)地址訪問(wèn)保護(hù)錯(cuò)誤。

下面分析錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因[6]，基于MFC的VP應(yīng)用程序在配置中要利用VP中vrWindow類提供的void setParent（Window win）函數(shù)，將MFC的Windows窗口句柄m_hWnd傳遞給VP作為其父窗口。由此可以判斷出，基于MFC的VP應(yīng)用程序?qū)嵸|(zhì)上是將VP渲染放入到MFC的View窗口中進(jìn)行的。

VP由于是基于多線程的，所以在初始化過(guò)程中會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟一個(gè)VP窗口子線程。該子線程會(huì)根據(jù)傳送的窗口句柄去創(chuàng)建一個(gè)與該句柄對(duì)應(yīng)的窗口有相同大小的窗口，附在該窗口上。在用戶終止VP線程時(shí)，該窗口線程不會(huì)自動(dòng)中止，而且也沒(méi)給用戶提供終止函數(shù)。再次啟動(dòng)VP線程，進(jìn)行初始化時(shí)，不會(huì)啟動(dòng)新的VP窗口線程，任保留原來(lái)沒(méi)有被終止的窗口線程。這樣就會(huì)導(dǎo)致再次啟動(dòng)VP線程時(shí)會(huì)出現(xiàn)地址保護(hù)錯(cuò)誤。因此，終止VP線程也不能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景切換。

2.2 基于進(jìn)程的場(chǎng)景切換方法

首先分別創(chuàng)建兩個(gè)進(jìn)程，VP進(jìn)程和MFC主進(jìn)程。就是將同一個(gè)應(yīng)用程序中的不同部分進(jìn)行相互黑箱化[7]，彼此之間僅通過(guò)定義好的接口進(jìn)行訪問(wèn)，這就最大限度地減小各部分之間的相互影響。

然后在此基礎(chǔ)上對(duì)Vega Prime場(chǎng)景中對(duì)實(shí)例的驅(qū)動(dòng)，包括初始化、定義、配置、仿真循環(huán)和退出等操作封裝成一個(gè)類，對(duì)特效模塊如碰撞等效果封裝成一個(gè)類，各類功能互不干擾，程序互相訪問(wèn)調(diào)用。

最后解決VP進(jìn)程和MFC主進(jìn)程之間快速有效地進(jìn)行通信問(wèn)題。

因?yàn)樵赩P進(jìn)程和MFC主進(jìn)程間除了要傳遞大量的視景驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)外，還要進(jìn)行一些控制信息的傳遞，鑒于實(shí)現(xiàn)的快捷性、進(jìn)程通信速度上的性能要求以及便與功能的擴(kuò)展等方面的綜合考慮，采用內(nèi)存映射文件的方式。

本文通過(guò)共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換，利用windows消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步，兩種機(jī)制結(jié)合使用，不僅解決了交換數(shù)據(jù)量小的問(wèn)題，還解決了進(jìn)程并發(fā)存取數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

3 同機(jī)進(jìn)程間內(nèi)存映射的實(shí)現(xiàn)

從使用者的角度看，數(shù)據(jù)共享方法是通過(guò)讓兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程映射同一文件映射對(duì)象的視圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這意味著他們將共享磁盤(pán)上同一文件或者物理存儲(chǔ)器的同一頁(yè)面。因此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程將數(shù)據(jù)寫(xiě)入一個(gè)共享文件映射對(duì)象的視圖時(shí)，其它進(jìn)程可以立即看到它們視圖中的數(shù)據(jù)變更情況。通過(guò)上述操作，用戶操作文件就能夠達(dá)到操作內(nèi)存一樣的效率，多個(gè)進(jìn)程操作該映射文件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間內(nèi)存一級(jí)的高速數(shù)據(jù)交互。部分實(shí)現(xiàn)如下:

//創(chuàng)建文件內(nèi)核對(duì)象，其句柄保存于m_hFileSave

HANDLE m_hFileSave=CreateFile（m_FileName（保存文件 ）， GENERIC_READ |GENERIC_WRITE， 0， NULL，OPEN_ALWAYS， FILE_ATTRIBUTE_NORMAL，NULL）

//以實(shí)際數(shù)據(jù)長(zhǎng)度創(chuàng)建另外一個(gè)文件映射內(nèi)核對(duì)象

m_hMapSave=CreateFileMapping （m_hFileSave， NULL，PAGE_READWRITE， 0， （（DWORD） qwFileOffset&0xffffffff）*sizeof（DWORD））； NULL）；

//關(guān)閉文件內(nèi)核對(duì)象

CloseHandle （m_hFileSave）；

//將文件數(shù)據(jù)映射到進(jìn)程的地址空間

IMapAddressSave = （PDWORD） MapViewOfFile（m_hMapSave， FILE_MAP_ALL_ACCESS， 0， 0，qwFileOffset*sizeof（DWO

RD））；

//將數(shù)據(jù)從原來(lái)的內(nèi)存映射文件復(fù)制到此內(nèi)存映射文件

Memcpy （lpbMapAddressSave， lpbMapAddress，qwFileOffset*sizeof（DWORD））；

//從進(jìn)程的地址空間撤銷文件數(shù)據(jù)映象

UnmapViewOfFile （lpbMapAddress）； UnmapViewOfFile（lpbMapAddressSave）；

//關(guān)閉文件映射對(duì)象 CloseHandle（m_hMap）；

CloseHandle （m_hMapSave）；

//刪除臨時(shí)文件

DeleteFile （m_FileName）；

4 多場(chǎng)景仿真系統(tǒng)進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文提出的方法，對(duì)于多進(jìn)程仿真系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景的驅(qū)動(dòng)框圖如圖2所示，其中圖中省略了VP進(jìn)程部分對(duì)實(shí)例驅(qū)動(dòng)和特效模塊用不同的類進(jìn)行封裝的結(jié)構(gòu)圖。圖2中顯示了兩個(gè)進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)的流程圖。進(jìn)程間采用內(nèi)存文件映射和消息機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，MFC主進(jìn)程負(fù)責(zé)創(chuàng)建終止VP仿真進(jìn)程。

圖2 MFC與VP進(jìn)程間通信流程圖Fig.2 Communication flow chart between MFCand VPprocesses

5 結(jié) 論

文中介紹了虛擬場(chǎng)景中漫游驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，在基于MFC的Vega Prime框架的設(shè)計(jì)，具體分析了多場(chǎng)景切換中遇到的問(wèn)題，從面向?qū)ο蟮慕嵌?，提出了較為全面和穩(wěn)定的解決方法。此方法可以滿足多場(chǎng)景的數(shù)據(jù)共享和快速通信，具有廣泛的通用性和實(shí)用性。

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