矢量圖算法生成系統(tǒng)的研究

鄭澤濤，余健

（韓山師范學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院，潮州521041）

0 引言

自十八世紀(jì)中期，瓦特改良了蒸汽機之后，由一系列技術(shù)革命引起了從手工勞動向動力機器生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的重大飛躍，這就是人們常說的第一次工業(yè)革命。自工業(yè)革命以來，機器所帶來的生產(chǎn)力遠遠超過了人工。隨著機器的產(chǎn)生，又出現(xiàn)了機器人。機器人脫離了空間的限制，可以自由移動，前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)都是可以實現(xiàn)的。光可以移動，還是不夠的，人們又給機器人加上了諸多感應(yīng)器，充當(dāng)機器人的眼睛、耳朵和手等[1]。

機器人的產(chǎn)生，也帶來了機器人編程，可是受到實物的限制，不能廣泛傳播，因為不可能讓每一個初學(xué)者都去購買機器人回來測試，畢竟這東西還是蠻貴的。此時，模擬機器人運行環(huán)境的程序的出現(xiàn)就剛好解決了這個問題，以RobotBASIC 為例，使用它可以很方便地在電腦上做各種關(guān)于機器人的測試。但是，僅僅依靠RobotBASIC 也無法解決一些問題，如矢量圖畫法的數(shù)據(jù)填充問題，此時開發(fā)工具的配合使用，就體現(xiàn)出它的強大之處，很多依靠RobotBASIC 自身無法解決的問題，可以通過配合其他開發(fā)工具，如VS2010 解決[2]。

本文主要是研究并開發(fā)一個矢量圖算法生成器，利用winForm 的可視化界面,為系統(tǒng)和用戶提供一個良好的交互環(huán)境，用戶只需要修改對應(yīng)的數(shù)值，就可以自動一鍵生成對應(yīng)的算法代碼，即解決了“矢量圖畫法的數(shù)據(jù)填充問題”，又為用戶保留了創(chuàng)新的空間[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 需求

通過“矢量圖畫法”完成以下任務(wù)：即通過機器人的移動、落筆、收筆，畫出自己的名字或者其他字符[4]。

系統(tǒng)需要解決以下問題：

（1）機器人如何實現(xiàn)矢量圖畫法

（2）如何把算法轉(zhuǎn)化為可視化參數(shù)

（3）如何把可視化參數(shù)轉(zhuǎn)化為算法代碼

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)體系架構(gòu)圖和系統(tǒng)流程圖分別如圖1 和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

1.3 系統(tǒng)詳細設(shè)計

矢量圖原理其實就是利用二維數(shù)組存儲像素點，通過0 不畫1 畫的方式來畫。而在RobotBASIC 中，只有一維數(shù)組，即二維數(shù)據(jù)存在一維數(shù)組中，機器人走到每行的末尾時，由于下個點是下一行的開始，所以機器人必須從尾部重新跑回去起始點[5]，如圖3 所示。

圖3 矢量圖行走邏輯

該模塊的主要功能是，把難以理解的算法參數(shù)，轉(zhuǎn)化為用戶肉養(yǎng)可見的可視化參數(shù)，用戶可以直接通過修改參數(shù)，達到修改算法代碼的目的[6]。下面介紹以下常用的參數(shù)名：

（1）顯示文字：該參數(shù)輸入的是要顯示的字符，當(dāng)字符數(shù)為0 時無法生成代碼

（2）字體種類：該參數(shù)讀取了系統(tǒng)本地所有的字體種類供用戶選擇

（3）文字坐標(biāo)：該參數(shù)設(shè)置文字顯示的(x,y)位置

（4）文字字體大小：該參數(shù)設(shè)置文字的字體大小

（5）旋轉(zhuǎn)點：該參數(shù)設(shè)置的是顯示界面的旋轉(zhuǎn)中心，初始坐標(biāo)為(400,300)

（6）旋轉(zhuǎn)角度：該參數(shù)設(shè)置的顯示界面的旋轉(zhuǎn)角度

（7）機器人半徑：該參數(shù)用于設(shè)置機器人的半徑，取值區(qū)間為[1,50]，由于在RobotBASIC 中，機器人移動碰到邊緣時會出錯，該參數(shù)是為了保證代碼不會運行出錯

（8）僅顯示截取框內(nèi)容（勾選）：該參數(shù)用于顯示和隱藏?zé)o效區(qū)域

（9）生成代碼（按鈕）：點擊可以生成代碼

其中雙框截取同步模塊主要是為了給用戶提示無效區(qū)域。由于機器人碰到邊緣時會出錯，所以機器人的畫圖區(qū)域受其半徑影響，也就是在主界面邊緣往里半徑以內(nèi)的區(qū)域都是無法畫圖了。用戶可以直觀地看到無效區(qū)域中的內(nèi)容和實際上可以畫出來的內(nèi)容，如圖4 所示。

圖4 顯示和隱藏?zé)o效區(qū)域內(nèi)容

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)界面

如圖5 所示，這是系統(tǒng)的可視化界面，用戶可以通過該界面，修改顯示文字、字體種類、文字坐標(biāo)、文字字體大小、旋轉(zhuǎn)點、旋轉(zhuǎn)角度、機器人半徑，還可設(shè)置是否顯示無效區(qū)域的內(nèi)容，最后確定后，通過點擊[生成代碼]按鈕，可以生成代碼。

圖5 矢量圖算法生成器界面

2.2 運行效果

通過圖6 的對比可以看出，骨架畫法顯然比不上矢量圖畫法，而且每次畫新的字符時，都需要重新編寫行走代碼，復(fù)用性極差；而矢量圖畫法畫出的結(jié)果更美觀，且復(fù)用性好。

圖6 骨架畫法和矢量圖畫法對比

如圖7，將字體的種類修改為“華為隸書”后，再修改旋轉(zhuǎn)參數(shù)，使字符旋轉(zhuǎn)一定的角度后，個性的字符圖產(chǎn)生了。

圖7 顯示界面

由于RobotBASIC 中機器人觸碰到邊緣時會產(chǎn)生錯誤，所以機器人的半徑就是臨界值，使得界面中有一部分無法畫到，被稱為無效區(qū)域。無效區(qū)域內(nèi)的內(nèi)容在展示時是不會出現(xiàn)的，如圖8 所示。

RobotBASIC 界面是800×600 像素，機器人半徑r，則所需存儲的像素點數(shù)據(jù)量為：

S=(800-2*r)*(600-2*r)（0

可以解得：350000<=S<480000。

這是一個龐大的數(shù)據(jù)量，如圖9 所示，“Robot”字符所產(chǎn)生的代碼長度約為842KB。

圖8 無效區(qū)域的顯示

圖9 生成代碼字節(jié)長度

生成的算法代碼在RobotBASIC 中運行算法，開始運行時間是：21:41:47，結(jié)束運行時間是：22:03:23，總共花費時間是：22:03:23-21:41:47=0:21:36，花費時間超過21 分鐘，如圖10 所示。

圖10 原算法運行

前面對于數(shù)據(jù)的填充，是把除無效區(qū)域外的所有數(shù)據(jù)全部計入，但是這有一個問題，以圖11 為例，有效數(shù)據(jù)其實只有中間“Robot”這一部分的數(shù)據(jù)，周圍的空白區(qū)域其實機器人根本不需要行走到，機器人走過是在浪費時間，但是也被填入到數(shù)據(jù)中。通過更新填充算法，先計算出有效數(shù)據(jù)像素點所占的矩形范圍，從而分別獲取橫、縱坐標(biāo)的最大值和最小值，如圖11 所示，縮小了填充數(shù)據(jù)的范圍，大大減少了機器人完成任務(wù)的時間。

3 矢量圖行走算法

矢量圖原理其實就是利用二維數(shù)組存儲像素點，通過0 不畫1 畫的方式來畫。而在RobotBASIC 中，只有一維數(shù)組，即二維數(shù)據(jù)存在一維數(shù)組中，機器人走到每行的末尾時，由于下個點是下一行的開始，所以機器人必須從尾部重新跑回去起始點。但是，這樣每次走回每行的起始點，這部分時間是浪費的，所以我們采用新的行走邏輯算法。利用一、二維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，用兩個參數(shù)i 和j 分別表示當(dāng)前的點是第(i+1)行，第(j+1)列，這里+1 是因為數(shù)組下標(biāo)從0 開始計算。在一個列數(shù)為n 的矩陣中，一維數(shù)組表示形式就是c[i*n+j],這是等價于二維數(shù)組的c[i][j]的。然后在機器人走到一行的末尾時，行數(shù)+1，列數(shù)不變，讓機器人轉(zhuǎn)個180°，從一行的末尾往前走，這樣就可以節(jié)省掉機器人跑回行首的時間了，如圖12 所示，減少了幾乎一半的行走時間。

圖11 尋找有效矩形區(qū)域

圖12 新舊行走方式對比

從圖13 中可以很明顯看出差別，原算法代碼字節(jié)長度是842KB，新算法代碼字節(jié)長度是29KB，減少了約813KB，減少了96.556%的字節(jié)長度，新算法的字節(jié)長度僅是原算法字節(jié)長度的3.44%，大大縮小了數(shù)據(jù)填充量，提高了機器人的運行效率。

圖13 新舊算法字節(jié)長度對比

如圖14 所示，系統(tǒng)維護更新后新算法的運行時間僅是39s，而原算法運行時間是21 分鐘36 秒，合計1296 秒，新算法所用時間僅是原算法所用時間的3.01%，減少了約96.99%的時間消耗。

圖14 新算法運行

4 結(jié)語

本文主要是通過解決“矢量圖畫法的數(shù)據(jù)填充問題”，研究開發(fā)工具聯(lián)合使用的作用。從文中可以很明顯的看出，單單靠RobotBASIC 根本無法完成“矢量圖畫法”這種難度極大的任務(wù)，然而在Visual Studio 參與聯(lián)合開發(fā)之后，問題變得輕松了許多。并且在一開始設(shè)計時，由于沒有考慮到“數(shù)據(jù)量大”和“行走方式的缺陷”，導(dǎo)致算法代碼字節(jié)長度過長和運行時間過長，不過通過不懈的努力和研究，系統(tǒng)還是得到了完善，成功解決了該文研究的問題。

系統(tǒng)目前處于一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是同時也存在一個問題，那就是如果填充數(shù)據(jù)過于分散時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)填充量和機器人的運行時間依然會很長，這個問題暫時還沒有得到解決，在后續(xù)更新維護中會逐步解決。