CGM图形解析技术在民用航空交互性电子手册中的应用

上海航空工业(集团)有限公司 邱昱

随着国内民用航空业的不断进步和发展，交互性电子手册(IETM)也逐渐成为民用航空业在生产、交付、运营流程中的一个重要应用。为了能够使民航飞机提供便捷高效的维修、技术支持保障。对民用航空交互性电子手册的研究就显得尤为重要。其中CGM作为民用航空交互性电子手册的重要插图格式，对电子手册的交互性提升、信息查询效率有显著提升效果。本文展示了一种基于Web的CGM解析技术，介绍了CGM图片在交互性电子手册的应用。

1 CGM发展背景

CGM(Computer Graphics Metafile)计算机图形元文件，是一种广泛应用于航空航天、石油天然气、船舶制造业等领域技术出版物的通用插图格式。CGM图形最早出现于20世纪80年代。早期，在许多图形预览类型和CAD的应用程序中对CGM的支持非常常见，然而随着其他图片格式的发展和CGM标准的不断演变，一些供应商和图片软件编码制作者并没有对CGM的格式支持进行随时更新。1999年，一些致力于CGM文件结构的组织共同成立了CGM OPEN基金会，致力于加速CGM文件的进一步使用和实施[1]。

在航空航天、国防安全、汽车制造商、石油天然气等领域的IETM电子技术出版物的应用系统中，无论是基于S1000D标准、HDBK-511标准还是ATA标准，均使用CGM矢量图作为技术出版物插图，在这些行业内部开发使用的交互性电子手册系统中，普遍使用了CGM作为主要图形类型[2]。使用CGM作为技术出版物的插图，在信息查询、数据格式化处理、图片信息热点跳转、内容导航方面具有众多优点。

2 CGM的应用局限性

随着因特网的发展，以浏览器为中心的B/S网络结构逐渐开始替代传统的C/S网络模式。目前，航空业基于S1000D标准实现的交互性电子手册系统，都是基于B/S浏览器结构的。虽然CGM OPEN基金会早在1999年就发布了Web CGM1.0标准，以满足CGM在浏览器的浏览需求。但是随着互联网技术的进步，现代浏览器和HTML5技术发展迅速，CGM仅能实现在传统的支持Active X的IE浏览器中实现预览访问功能。如今，谷歌和微软纷纷表示放弃对IE浏览器的支持，所以在现代浏览器高速发展的今天，现代浏览器并不能对CGM类型的图片支持做到及时更新。

目前，在航空业的IETM系统中，预览和访问CGM类型图片一直依赖于商业化插件集成系统，如Larson公司的VizEx插件。CGM图形的解析技术主要掌握在少数供应商如PTC软件和Larson软件公司，PTC软件公司的Arbortext IsoDraw产品和Larson公司提供的前端开发组件VizEx，提供了编辑、预览和解析CGM图形的功能。这些成品的商用软件，这些商业软件广泛的应用于波音、空客等飞机制造商或航空公司的各类技术出版物编辑与开发工作中，但商业软件封闭性和可控性始终是难以解决的问题[3]。

3 CGM结构解析

3.1 CGM元文件结构概述

CGM元文件整体结构如图1所示，所有基本元素都编码为统一的编码格式。其中，图片组成部分由多个图片元素组成，每个图片元素相对于其他图片元素都是相对独立的。换言之，每个单独的图片元素在得到解释时，画面就能够实现即时渲染和随机存取了，这些图片之前没有任何的前趋、先后关系，因此各个图片元素的改变不影响画面整体的结构和展示[4-7]。

图1 CGM元文件结构图Fig.1 The structure of computer graphics metafile

其中向量元素的定义有以下十类：

（1）分隔符元素。在CGM元文件中用以界定元素范围、维持文件的结构性、如文件开始标记、图片开始标记。

（2）元文件描述符元素。包含描述文件功能内容、默认条件、文件版本标识和CGM特征。

（3）图片描述符元素。包含解释和描述图片内容的各种类型，如图片包含的字体列表、图片所包含的元素列表、字符集、图片颜色模式、颜色校准元素集、字体属性、字形映射等各类描述图片的基本元素。

（4）控制元素。包含控制类基本数据类型如SI（Signed Integer）、UI（Unsigned Integer）、C（Character）、FP（Fixed Point Real）、FP（Floating Point Real）五种类型，除了字符类型外，每种类型都可以使用多种精度定义。这些控制类的数据类型用以表达图片中存在的数字变量和文本变量。

（5）原始图像元素。CGM图片的原始图像元素由折线PolyLine、多点标记PolyMarker、文本Text、限制性文本Restricted Text、扩展文本Append Text、多边形PolyGon、多边形集合PolyGon Set组成，这些最基础的图像图形共同构成了CGM文件的图形结构，是CGM图片的实现基础[8-9]。

（6）属性元素。用以描述原始图像元素的基本属性，如线条宽度、字体大小、多边形填充效果、填充颜色等。

（7）转义元素。用以描述图片和设备相关、系统相关的元素，如不同设备之间的字体编码不同，需要用转移元素进行控制和描述。

（8）外部元素。用以描述与图形图像本身没有直接关联的其他信息。

（9）段元素。用以对图片进行操作的元素，如对图片进行复制、分组。

（10）应用程序结构元素。用以对图片进行响应应用的元素，如热点链接、检索和其他特定的应用程序相关的操作。

3.2 CGM元文件二进制编码结构

CGM元文件的二进制编码是由8位二进制的顺序集合组成的逻辑数据结构，即CGM数据以8字节作为基本数据单位。根据源文件不同元素的数据长度及二进制数据对齐方式，在文件结构中使用两种不同大小的字段定义，这两种不同大小的字段用于说明元素的类别、结构和参数的内容。在8字节基础上，CGM使用两个8字节作为一个“字”，用以在多平台计算机上优化二进制元文件的处理。所以，CGM基本指令的二进制表示如图2所示，CGM图片的所有基本元素遵照短格式指令模式或长格式指令模式构成[10]。

图2 短指令格式和长格式指令模式结构图Fig.2 The structure diagram of short and long instruction format mode

其中，元素类别是指在3-1章节中定义的元素类别，表1是相应元素类别编码所对应的二进制编码表。对于每个类别都包含了一个类别的详细定义，定义CGM元文件元素、元素ID、参数类型、参数列表长度和参数规范。根据CGM的文件结构和二进制编码结构定义，我们使用Java语言实现了CGM解析工具。

表1 元素类别定义表Tab.1 Element category definition table

4 CGM文件解析及实现

根据对CGM元文件结构和CGM元文件二进制编码的研究，我们将CGM的实现分为结构定义、元素解析、图形渲染三个部分。

4.1 结构定义

根据CGM的指令结构，定义指令基础类，并实现CGM结构读取，Command基类实现了CGM基础数据的读取，其实现如下。

public class Command implements Cloneable {

protected int args[];

protected String fileName=null ;

protected int currentArg=0;

private int posInArg=0;

private final int elementClass;

private final int elementCode;

public Command(int ec,int eid,int l,DataInput i n) throws IOException {

this.elementClass = ec;

this.elementCode = eid;

if (l != 31) {

this.args = new int[l];

for (int i = 0; i < l; i++)

this.args[i] = in.readUnsignedByte();

if (l % 2 == 1) {

int skip = in.readUnsignedByte();

}

}else{

boolean done=true;

int a=0;

do{

l=read16(in);

if(l == -1)

break;

if((l&(1<<15))!=0){

done=false;

l = l&~(1<<15);

}

else{

done=true;

}

if(this.args==null) {

this.args=new int[l];

}

else {

this.args=Arrays.copyOf(this.args,this.args.length+l);

}

for(int i=0;i

this.args[a++] =in.readUnsignedByte();

if (l % 2==1){

int skip=in.readUnsignedByte();

assert(skip==0):"skipping data";

}

}

while (!done);

}

}

}

4.2 元素解析

在实现了结构定义和基本数据读取的基础上，根据CGM文件结构的向量元素分类，进行分类数据读取。每个元素类别都定义了一个抽象类，用以描绘这个类别的共有特性和方法，每个类别都有若干个实现类，用以实现具体的向量元素，抽象类的读取分类方法如下，由于目前基于交互性电子手册系统应用场景限制，在日常的CGM图片中，通常不存在段元素和应用程序元素，所以CGM中的段元素和应用程序结构元素尚未实现，但是CGM图片的整体和细节都不会受到影响[11]。

protected static Command readCommand(DataIn put in,int ec,int eid,int l,String fileName,String... params) throws IOException {

switch (ElementClass.getElementClass(ec)) {

case DELIMITER_ELEMENTS:// 0

return Delimiter.readDelimiterElements(in,ec,eid,l,fileName,params);

case METAFILE_DESCRIPTOR_ELEMENTS://1

return MetafileDescriptor.readMetaFileDescriptor Elements(in,ec,eid,l,fileName);

case PICTURE_DESCRIPTOR_ELEMENTS://2

return PictureDescriptor.readPictureDescriptorEle ments(in,ec,eid,l);

case CONTROL_ELEMENTS://3

return Control.readControlElements(in,ec,eid,l);

case GRAPHICAL_PRIMITIVE_ELEMENTS://4

return GraphicalPrimitive.readGraphicalPrimitive Elements(in,ec,eid,l,fileName);

case ATTRIBUTE_ELEMENTS://5

return Attributes.readAttributeElements(in,ec,ei d,l);

case ESCAPE_ELEMENTS://6

return Escape.readEscape(ec,eid,l,in,fileName);

case EXTERNAL_ELEMENTS://7

return External.readExternalElements(in,ec,eid, l,fileName);

case SEGMENT_ELEMENTS://8

unsupported(ec,eid);

return new Command(ec,eid,l,in);

case APPLICATION_STRUCTU_ELEMENTS: //9

unsupported(ec,eid);//10-15

return new Command(ec,eid,l,in);

default:

assert(10<=ec && ec <=15):"unsupported eleme nt class";

unsupported(ec,eid);

return new Command(ec,eid,l,in);

}

}

4.3 图形渲染

CGM是由多个元素向量组成的图形，如果要做到图形渲染，需要将向量映射到设备的虚拟空间坐标中，形成绝对的二维坐标，CGM的VDC空间用以定义图像元素的方向、尺寸、坐标原点[4]。由于VDC空间的定义，可以将整个CGM的向量元素约定在一定的范围之内，这个范围就是VDC范围，VDC范围由属性左下角、右上角、和坐标夹角组成共同建立了VDC空间的意义和所属坐标象限，VDC图形一般处于第一象限和第四象限，某些属性如文本属性、字符方向、所有图形内的枚举值的方向都与这些变量有关，根据VDC范围的可以按照比例的将图形渲染到相应大小的Java图形中，相关代码如下。

public void scale(Graphic s g,int w,int h){

this.g2d = (Graphics2D)g;

if (this.extent==null)

return;

double extentWidth=Math.abs(this.extent[1].x - this.extent[0].x);

double extentHeight=Math.abs(this.extent[1].y - this.extent[0].y);

double fx=w/extentWidth;

if (fx*(extentHeight)>h){

fx=h/extentHeight;

}

this.canvasWidth=(int)(fx*extentWidth);

this.canvasHeight=(int)(fx*extentHeight);

this.isScaled =true;

}

4.4 图形应用

经过4-1、4-2、4-3的CGM文件解析步骤后，可以将CGM图片使用Java

Graphics2D展示到桌面端，点击图片内容则可实现放大、缩小。在我国航空业内实现的交互性电子手册系统中广泛使用了CGM作为插图格式[12]，为了使CGM图片更好的在Web浏览器中展示，我们将已经成功渲染的Java Graphics2D图形转化为SVG格式，SVG格式能够保存CGM格式的热点信息、向量信息并同样可以实现放大缩小功能，其实现效果如图3所示。

图3 交互性电子手册插图实现Fig.3 The implementation of IETP's illustrations

5 结语

IETM系统作为飞机维修、运营流程中的重要组成部分，承担着信息交流、数据共享等功能。CGM作为其中重要的数据载体之一，对IETM系统的作用也至关重要，本文从CGM的背景、目前应用局限性出发，经过对CGM文件的结构进行分析描述，对CGM元文件二进制编码进行解析和加载。最终实现了一种自主可控的CGM解析技术，从而摒弃对商业软件的依赖性。本文对CGM在民用航空业交互性电子手册的应用研究，将应用于国内航空业的技术出版物手册系统。