CN103631582B - 基于wpf技术的绘制图形的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于WPF技术的绘制图形的方法及系统，该绘制图形的方法，包括如下步骤：A.后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；B.后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；C.后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；D.将频谱线存入缓存；E.判断缓存是否已满，若已满那么执行步骤F，否则执行步骤C；F.后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线。本发明的有益效果是本发明在绘制多普勒频谱图的方法将会大量降低CPU资源，提高工作效率。

Description

基于WPF技术的绘制图形的方法及系统

技术领域

本发明涉及图形数据处理方法及系统，尤其涉及基于WPF技术的绘制图形的方法及系统。

背景技术

多普勒频谱图的绘制相较于一般波形图的绘制，最大的特点就是数据量更大。普通波形的绘制是在一个坐标平面内，将时间序列上发生的点连接起来组成一个完整的波形。一个时间纬度上仅需要绘制一个点，而多普勒频谱图则在一个时间纬度上，坐标平面内的每一个像素点都需要绘制。也就是说，普通波形的绘制为线，而多普勒频谱图则要考虑绘制面的情形。

此时，一般的绘制线形图的方法将无法使用，比如北京航天测控技术开发公司申请的专利“基于Java的嵌入式频谱分析仪显示界面的实现方法”（专利申请号201010620822.1，公开号CN102156639B），此专利使用DrawLine（连接两点的直线）函数来绘制波形，而多普勒频谱图在平面坐标系上一系列的特征点都需要连接，这样的方法将会耗用大量的CPU资源。

即，目前绘制多普勒频谱图的方法将会耗用大量的CPU资源，降低工作效率。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于WPF技术的绘制图形的方法。

本发明提供了一种基于WPF技术的绘制图形的方法，包括如下步骤：

A.后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；

B.后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；

C.后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；

D.将频谱线存入缓存；

E.判断缓存是否已满，若已满那么执行步骤F，否则执行步骤C；

F.后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤E中，根据公式一计算缓存频谱线数，如果存入缓存的频谱线的数量在缓存频谱线数范围内，那么证明缓存已满，否则缓存未满；公式一：0.05s<=缓存频谱线数*每条频谱线绘制时间<=0.2s。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤F中，后台线程使用.NET的委托通知前台主线程进行绘制频谱线。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤F中，前台主线程使用位图画法将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA值，位图函数仅被调用一次，就能够直接着色整片绘制区域。

作为本发明的进一步改进，在所述步骤D中，缓存频谱线的同时缓存包络线；该方法还包括步骤G，在步骤G中通过以下方法去模拟DrawLine函数绘制包络线：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而能够推算出另外两个顶点的坐标位置，绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现。

本发明还提供了一种基于WPF技术的绘制图形的系统，包括：

接收模块，用于后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；

转换模块，用于后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；

处理模块，用于后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；

缓存模块，用于将频谱线存入缓存；

判断模块，用于判断缓存是否已满，若已满那么执行频谱线绘制模块，否则执行处理模块；

频谱线绘制模块，用于后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线。

作为本发明的进一步改进，在所述判断模块中，根据公式一计算缓存频谱线数，如果存入缓存的频谱线的数量在缓存频谱线数范围内，那么证明缓存已满，否则缓存未满；公式一：0.05s<=缓存频谱线数*每条频谱线绘制时间<=0.2s。

作为本发明的进一步改进，在所述频谱线绘制模块中，后台线程使用.NET的委托通知前台主线程进行绘制频谱线。

作为本发明的进一步改进，在所述频谱线绘制模块中，前台主线程使用位图画法将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA值，位图函数仅被调用一次，就能够直接着色整片绘制区域。

作为本发明的进一步改进，在所述缓存模块中，缓存频谱线的同时缓存包络线；该系统还包括包络线绘制模块，在包络线绘制模块中通过以下方法去模拟DrawLine函数绘制包络线：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而能够推算出另外两个顶点的坐标位置，绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现。

本发明的有益效果是：本发明在绘制多普勒频谱图的方法将会大量降低CPU资源，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的包络线绘制图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种基于WPF技术的绘制图形的方法，包括如下步骤：

在步骤S1中，后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；

在步骤S2中，后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；

在步骤S3中，后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；

在步骤S4中，将频谱线存入缓存；

在步骤S5中，判断缓存是否已满，若已满那么执行步骤S6，否则执行步骤S3；

在步骤S6中，后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线。

在所述步骤S5中，根据公式一计算缓存频谱线数，如果存入缓存的频谱线的数量在缓存频谱线数范围内，那么证明缓存已满，否则缓存未满；公式一：0.05s<=缓存频谱线数*每条频谱线绘制时间<=0.2s。

在所述步骤S6中，后台线程使用.NET的委托通知前台主线程进行绘制频谱线。

在所述步骤S6中，前台主线程使用位图画法将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA值，位图函数仅被调用一次，就能够直接着色整片绘制区域。

在所述步骤S4中，缓存频谱线的同时缓存包络线；该方法还包括步骤S7，在步骤S7中通过以下方法去模拟DrawLine函数绘制包络线：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而能够推算出另外两个顶点的坐标位置，绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现。

在步骤S1中，接收数据采集装置采集到的时域数据，该数据采集装置可以是Trancranial Doppler,简称TCD，是利用超声多普勒效应来检测颅内脑底动脉环上的各个主要动脉血流动力学以及各项血流生理参数的一种无创伤性脑血管疾病检查仪器。例如，在步骤S1中，TCD下位机将超声探头采集到的信号数据经由USB口传输到PC软件。

在步骤S2中，通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据。

在步骤S3中，频谱数据需要根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；在步骤S3中，通常情况下该频谱线包含256个RGB像素点，用户也可根据需要选择128个像素点。

在本发明中，得到频谱线数据后，并不是立即进行显示器上频谱线的渲染。WPF技术相较于Windows forms技术而言，能够支持更为丰富的界面渲染效果，但其本身相应的也会更加消耗CPU以及内存资源，所以如果采用WPF技术来实现桌面程序应用，则必须考虑到在耗用CPU或内存比较严重的地方引入缓存机制。经测试比较各个功能实现点，不难发现频谱线高速绘制最为耗用系统资源，故在本发明中即要求在将频谱线展示到显示器前，先要对频谱数据的进行缓存。

其缓存的实现机制为，当后台线程接收并处理原始数据从而得到一条完整的频谱线数据之后，并不立即通知前台UI线程进行绘制，而是先放入缓存，待积攒到一定的数量后，再一次性通知UI线程绘制，同时清空缓存。需要注意的是，缓存中存放的频谱线数并不是愈多愈好，缓存的数量愈多，CPU使用会降低越多，而界面中频谱线走动时的卡顿现象则会越来越明显，所以缓存的数量必须要考虑到效率与呈现的一个平衡点，从而设置一个最佳的缓存频谱数量的经验值，这样既能保证高速绘制时CPU与内存消耗不会过大，又能保证频谱展示效果的光滑流畅。

缓存效果可以以此公式为依据：

0.05s<=缓存频谱线数*每条频谱线绘制时间<=0.2s。

每条频谱线绘制时间平均为400微妙，会在平均值附近上下浮动。

在步骤S6中，当缓存区中频谱数据存满后，就需要通知UI(User Interface)进行绘制。由于WPF本身的运行机制，UI主线程与后台线程是分离开来的，当需要后台线程进行界面绘制时，通常使用Dispatcher线程来通知UI主线程。Dispatcher线程负责将界面绘制任务放入到一个队列里，UI主线程再根据队列内容依次完成界面更新。经实验，由于频谱线绘制任务增加地非常之快，依靠WPF本身的Dispatcher调用会非常消耗CPU资源。在本发明的步骤S6中，则利用.Net自身的委托机制（.NET的委托类似于C语言的函数指针，区别在于.NET委托是类型安全的）来实现后台线程对前台主线程的通知，由于后台对前台绘制省去了队列调度的中间环节，所以CPU消耗也会得到进一步的降低。

在WPF中绘制图形时，会默认显示为矢量图，即图形本身是可以任意拉伸却不会失真的（比如图形放大后的锯齿状边缘效果等），在WPF中使用DrawLine函数绘制的即为矢量图。矢量绘制虽然具备一定的优势，然而高速地绘制频谱线不宜采用矢量绘制去实现，因为使用DrawLine函数，每绘制一条频谱线则要调用函数n-1次去连接n个点，所以在本专利使用位图（又称栅格图）的画法，使其能够一次性渲染频谱线到显示器上。位图法的实现机制为，将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA（Red Green Blue，Alphachannel）值，位图函数仅被调用一次，就可直接着色整片绘制区域。由于调用绘制函数频率的降低，从而有效地降低了CPU的耗用。

矢量图绘制函数：DrawLine(int x1,int y1,int x2,int y2,Color color)，位图绘制函数：WritePixels(Int32Rect sourceRect,Array pixels,int stride,intoffset)。

在绘制频谱线的过程中，需要同步绘制包络线。包络线的含义为：在每一条频谱线上，取一个特征点，这些特征点的连线即为包络线。需要注意的是，由于频谱线并不立即绘制，而是被存入缓存中，所以包络线也同样需要被缓存，并且还要保证正确的绘制顺序——先绘制频谱，再连接包络。

由于绘制包络线的方式需要达到DrawLine式效果，这就与绘制频谱线的方式相互冲突。位图的绘制方法，仅能绘制一片连续的矩形像素形成的栅格区域，本来可以用来连接两点的DrawLine函数在WPF位图画法下却无法调用，这是因为在WPF中承载图片的容器主要由RenderTargetBitmap以及WriteableBitmap两种，而用来承载位图的WriteableBitmap容器不支持DrawLine函数；RenderTargetBitmap虽然提供了DrawLine的API，却不支持位图的绘制。所以在本发明的步骤S7中可以通过以下方法去模拟DrawLine函数的实现：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而可以推算出另外两个顶点的坐标位置。绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现（如图2所示）。

本发明还公开了一种基于WPF技术的绘制图形的系统，包括：

接收模块，用于后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；

转换模块，用于后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；

处理模块，用于后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；

缓存模块，用于将频谱线存入缓存；

判断模块，用于判断缓存是否已满，若已满那么执行频谱线绘制模块，否则执行处理模块；

频谱线绘制模块，用于后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线。

在所述判断模块中，根据公式一计算缓存频谱线数，如果存入缓存的频谱线的数量在缓存频谱线数范围内，那么证明缓存已满，否则缓存未满；公式一：0.05s<=缓存频谱线数*每条频谱线绘制时间<=0.2s。

在所述频谱线绘制模块中，后台线程使用.NET的委托通知前台主线程进行绘制频谱线。

在所述频谱线绘制模块中，前台主线程使用位图画法将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA值，位图函数仅被调用一次，就能够直接着色整片绘制区域。

在所述缓存模块中，缓存频谱线的同时缓存包络线；该系统还包括包络线绘制模块，在包络线绘制模块中通过以下方法去模拟DrawLine函数绘制包络线：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而能够推算出另外两个顶点的坐标位置，绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现。

本发明主要涉及在WPF(Windows Presentation Foundation,Microsoft当前正在积极推广的桌面显示技术，该技术将逐渐取代Windows Forms的传统地位)中高速绘制频谱线且低CPU耗用的实现方法。

WPF适合开发具有RIA(富媒体)的应用程序，本身默认所有的UI元素的展示都为矢量图型，这样的好处就是WPF的图形界面中的元素，不需要考虑屏幕的分辨率，然而这种矢量方式的设定如果应用到经颅多普勒仪器接收数据的频谱图展示中，则会显得非常低效。

由于多普勒频谱中，每根频谱线上的256\128个点的颜色特征都可能不一样，这就需要为每一个点去分配一个对象，随着图像在横向，纵向两个维度下尺寸的增加以及频谱线的高速绘制（微秒数量级），则意味着相当大数量对象需要在微秒级别的时间量度范围内被创建或是被销毁，这些额外的工作也将会非常耗用CPU资源。

由于高速绘制多普勒频谱线(平均绘制每条频谱线耗时400微秒左右)，在Inter双核CPU2.4GHz主频下，CPU使用高达74%左右。而采用本专利所述的方法，则可以将此规格的CPU使用降低至27%左右。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于WPF技术的绘制图形的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；

B.后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；

C.后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；

D.将频谱线存入缓存；

E.判断缓存是否已满，若已满那么执行步骤F，否则执行步骤C；

F.后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线；

在所述步骤E中，根据公式一计算缓存频谱线数范围，如果存入缓存的频谱线的数量在缓存频谱线数范围内，那么证明缓存已满，否则缓存未满；公式一：0.05s <= 缓存频谱线数* 每条频谱线绘制时间 <= 0.2s。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤F中，后台线程使用.NET的委托通知前台主线程进行绘制频谱线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤F中，前台主线程使用位图画法将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA值，位图函数仅被调用一次，就能够直接着色整片绘制区域。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在所述步骤D中，缓存频谱线的同时缓存包络线；该方法还包括步骤G，在步骤G中通过以下方法去模拟DrawLine函数绘制包络线：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而能够推算出另外两个顶点的坐标位置，绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现。

5.一种基于WPF技术的绘制图形的系统，其特征在于，包括：

接收模块，用于后台线程接收数据采集装置采集到的时域数据；

转换模块，用于后台线程通过快速傅里叶转换将时域数据处理为频谱数据；

处理模块，用于后台线程将频谱数据根据设置的色阶进行映射，从而得到一条完整的频谱线在显示器上所对应的RGB值；

缓存模块，用于将频谱线存入缓存；

判断模块，用于判断缓存是否已满，若已满那么执行频谱线绘制模块，否则执行处理模块；

频谱线绘制模块，用于后台线程通知前台主线程进行绘制频谱线；

在所述判断模块中，根据公式一计算缓存频谱线数范围，如果存入缓存的频谱线的数量在缓存频谱线数范围内，那么证明缓存已满，否则缓存未满；公式一：0.05s <= 缓存频谱线数 * 每条频谱线绘制时间 <= 0.2s。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述频谱线绘制模块中，后台线程使用.NET的委托通知前台主线程进行绘制频谱线。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述频谱线绘制模块中，前台主线程使用位图画法将绘制区域所对应的每一个屏幕像素点都分配一组RGBA值，位图函数仅被调用一次，就能够直接着色整片绘制区域。

8.根据权利要求5或7所述的系统，其特征在于，在所述缓存模块中，缓存频谱线的同时缓存包络线；该系统还包括包络线绘制模块，在包络线绘制模块中通过以下方法去模拟DrawLine函数绘制包络线：将包络线视为矩形的对角线，所要连线的两点对应着矩形的两个顶点，从而能够推算出另外两个顶点的坐标位置，绘制时填充此矩形即以矩形近似地去替代两点连线来实现。