【毕业学位论文】（Word原稿）基于Android图形的三维控件技术研究与实现

分类号 学号 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 基于 形的三维控件技术研究与实现 学位申请人 ： 学科专 业 ：计算机 技术 指导教 师 ： 教授 答辩日 期 ： 2013年 05月 31日A of : : : 30074, P. R. 2013独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 _年解密后适用本授权书。 不保密 。 （请在以上方框内打 “”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 嵌入 式设备与网络通讯的紧密结合，使得嵌入式浏览器在嵌入式设备中发挥着举足轻重的作用。由于嵌入式平台具有需求多样性、硬件资源有限等特点，嵌入式浏览器需要具有良好的移植性、可扩展性、占用内存少等特点 。 在研究了嵌入式浏览器的发展现状和相关技术的基础上， 设计 实现了一款功能丰富的 嵌入式 浏览器，并拓宽了浏览器在嵌入式 设备 中的应用领域。首先， 结合嵌入式终端需求和 目前 市场上的 浏览器 引擎的特性 ，选用了渲染速度快、占用内存少的轻量级开源浏览器引擎 据终端的软硬件环境提供 现 擎 在 嵌入式 图形平台 形库下的移植 ，提供 的网页浏览组件和一组应用程序编程接口， 分析了外部输入事件和系统事件结构与 核事件的转换与传递， 并实现了一个简易的浏览器图形界面 ， 支持 多标签页浏览。 其次， 提供了嵌入式浏览器的一些 辅助 功能扩展 的实现。网址过滤采用黑白名单控制方式实现；广告智能屏蔽扩展能够阻拦独立广告网址，并采用元素隐藏方式屏蔽网页内部广告 ，还可以通过用户反馈方式分析广告内容完善屏蔽功能 ；采用 息机制实现了浏览器行为控制 方式 ，包括消息对象接口和广播信号的发射， 用以控制 嵌入式 浏览器行为和主动汇报浏览器执行结果。然后，实现了 嵌入式 浏览器自定义标记扩充功能 ，构造嵌入式终端上的基于嵌入式浏览器的应用快速开发平台。 利用 嵌入式 浏览器的文档解析、布局排版功能，实现自定义 记与图形控件的绑定 ， 并扩展自定义标记对应的 象 。 嵌入式浏览器不仅能够提供网页浏览基本功能， 实施一些辅助功能扩展， 而且可作为 嵌入式终端上的 核心 基础 软件实现一种应用程序快速开发技术。终端业务体系可以采用 发方式实现 ，并可 通过 本 实现动态交互 ，应用部署更 方便、快速。 关键词： 浏览器 引擎 ， 嵌入式 图形 平台 ， 功能扩展 ， 自定义 标记 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 he of a in to of of on of of an of in is as on of of on it a is up to s a a to a a of to a of a we by of in by to of is to of or we at to a on of of s to of to On a as 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 be by is 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 录 摘 要 . I . 绪 论 课题 背景 与 意义 . (1) 国内外研究概况 . (2) 论文主要研究内容 . (7) 2 统三维控件的整 体设计 三维控件的应用需求分析 . (8) 三维控件的实现原理 . (12) 基于 S 的三维场景实现 . (14) 模型创建与加载技术 . (16) 控件在三维场景中的结构 . (18) 本章小结 . (18) 3 基于 台的三维控件模型的分析与设计 景中的资源管理分析 . (20) 模型的外观设计 . (23) 模型的动画设计 . (28) 模型的材质设计 . (28) 事件交互的设计 . (28) 本章小结 . (28) 4 三维控件在 台上的应用 简单三维控件的使用 . (31) 图片查看器的开发与应用 . (33) 三维控件在 能终端上的应用 . (38) 本章小结 . (43) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 V 5 总结与展望 全文总结 . (56) 课题展 望 . (57) 致 谢 . (58) 参考文献 . (59) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 课题背景 与意义 从 20 世纪 70 年代初第一款微处理器的出现，嵌入式系统 以 应用为中心 ，实现了 向其他行业的广泛渗透 ，它 由最初完成单一任务发展 成 为集 计算机、消费电子、网络通信、工业控制为一体的现代嵌入式集成系统。 进入 21 世纪，随着科技的进步，市场需求使得基于嵌入式系统开发的产品更加小型化、人性化，嵌入式产品的多样性给人们的生活带来了前所未有的变化。 随着人们生活节奏的加快，对娱乐、学习的要求越来越高， 在众多的嵌入式产品中，消费类电子在人们的生活中占据 非常 重要的地位 。 比如智能手机、数字电视、数码相机、平板电脑等 ， 消费类电子市场的繁荣为嵌入式 产品 开创了广阔的发展空间 。 其中 以平板电脑和家庭 智能 多媒体 为代表的嵌入式产品迅速抢占市场 ， 其 强大的功能和舒适的用户体验推动了嵌入式 技术 的发展 。 但 是， 早期的嵌入式 产品 因资源限制，图形 用户 界面 简单 ， 导致 用户体验欠佳。伴随着 技术的创新，硬件成本 逐年 下降， 在 字符界面和简单的图形 用户 界面 已 不能满足 现实 需求的前提下 ，自然人机交互界面的设计显得尤为紧迫。 由于人类对于三维空间的感知度要优于二维空间， 所以 在以人为本的设计理念下，开发 基于 三维场景 的 图形用户界面 ， 实现 场景中 三维控件 的人机 交互将 成为未来 行业 发展的新趋势。 面对新 的挑战 ， 当前， 能否开发三维图形用户界面 及控件已经 成为嵌入式终端生产商家的一大竞争焦点。 苹果公司针对 统提供了完善的三维图形界面开发，其流畅的控件设计、舒适的视觉效果，获得了用户青睐 。 除此之外，司发布 的 作系统 不但支持 3D 图形算法标准 S，而且可以使用硬件加速来提升图形界面的渲染效率和速度。 由于 作系统是一个开源、免费的开发平台，拥有良好的可移植性， 因此， 基于 形界面的三维控件的研究与实现不仅 具 有技术的创新性 ，而且 还 有潜在的商业价值。 本文 是 针对 武汉精伦电子股份有限公司研发的新一代云影音智能机 （ 产品系列号： 维 图形 控件设计进行的深入研究。 新一代 精伦云影音智能机是 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 基于 台 开发，具有 观看高清影视、欣赏音乐 播网络电视、享受体感游戏、体验语音操作等功能 ，所有界面力求精美简约， 呈现 场景 完美三维立体效果。 本课题 所做工作主要是通过对 移植构建 台上的三维场景，开发三维控件与用户交互，通过控件完成对 云影音智能机各个 功能的操作， 从而 实现 操作 窗口 界面的三维立体化。 国内 外研究概况 台 控件开发 概况 在日趋激烈的嵌入式产品市场中，苹果、微软 和 司都推出了自己的 嵌入式开发平台， 依 此研发的嵌入式产品在市场 上 占据 着 重要位置。 随着用户对三维立体体验需要的不断增加，各公司在加紧发布新版本 的 同时，也在技术上加 以改进， 力求 产品的图形界面和控件效果更臻于完善。但是， 由于图形界面和控件的开发以用户体验为向导，并没有统一的行业标准，所以不同开发平台针对用户 图形界面和控件 的开发 各有千秋。 1. 台控件开发 苹果公司为手持设备开发的操作系统， 最初 被 命名为 S，在2010 年 6 月 会上 正式宣布改名为 前 持的设备包括：及 V 等。 支持非苹果公司的硬件 设备 。 苹果公司以 作系统为平台开发的 列 智能 手机 受到 大众喜爱， 连续 8 次获得 了 费者满意度大奖 。 特色不仅在于它高效的资源管理和强大的模块支持， 而且它还具有多种图形绘制子系统，能够确保基于 台开发的 图形 用户 界面和控件 拥 有 较高的用户体验水平 。 高质量图形 用户 界面和控件 的开发 是 用的一个重要组成部分 。 于 2中 维图形的渲染则采用 S 方法，而且 提供了 级动画合成技术来实现强大的动画功能。 以 图形系统 的分类为标准 ， 台上的控件 开发 主要体现在以下几个方面： （ 1）二维控件开发主要通过 心图像框架来实现。 持基于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 路径画图 、 坐标的空间转换、抗混淆重载、梯度、图像、颜色等功能， 虽然提供的 用的是 C 语言，但它 更易于 绘图资源的保存和复制； （ 2） 三维模型的绘制 在 S 框架内 实现。 形界面内的 2D 模型都可以通过 S 来渲染。 S 与硬件设备紧密相关，能够为游戏或 三维控件提供较高的绘制帧率，在 台下可以使用 口来实现画图代码和本地 对象 的 调用； （ 3） 心框架还包含了 口。 供了标准系统行为动画，开发者可以利用这个框架创建客户化的动画，从而实现复杂动画和虚拟效果 。 2. 台控件开发 台上针对嵌入式产品的操作系统主要是指 E，它是微软公司嵌入式移动平台的基础，具有出色的图形用户界面，在控制、通信、多媒体领域有广泛的应 用。作为嵌入式操作系统， E 本身具有强大的优势，比如具有通信能力强，模块化及可延展性好，支持多种 功能，同时，E 具有 面的风格，给用户一种十分亲切的感觉，微软深厚的技术支持，对 族特性的继承又是其它嵌入式系统无可替代的。E 中的窗口、控件、对话框、菜单和资源都是由 系统实现。 E 系统中重要的组成部分，主要包括图形、窗口管理和事件管理三个组件，完成了控件的绘制，事件响应等功能。 E 采用 口实现应用程序和硬件设备之间的图形绘制操作， 核心组件，同时它本身又支持很多与图形绘制有关的子集，比如 微软公司开发的用途非常广泛的 一整套多媒体接口方案，其中最突出的是它在三维图形绘制方面的应用。 E 操作系统使用的是一个增强型子集 以加载 3D 模型，支持多种 3有流畅的 3D 渲染特性。目前在 E 平台上的基于 图形界面已经实现，比如 面库，它不仅采用更加方便的图形界面和控件设计方案，而且 源利用效率较高。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 E 系统界面的基本元素是窗口，控件就是平台上提供的一些预定义窗口类，例如按钮、文本编辑框等。可以通过调用 数创建控件，每个控件都有对应的窗口消息处理函数，子控件的 句柄以参数的形式写入消息函数，通过它来通知父控件，完成事件的交互。 E 平台控件开发流程较为固定，控件与可利用的函数接口丰富，但是基于 E 平台的嵌入式开发需要付费，所以它在企业级的中的应用比较广泛。 3. 台控件开发 作系统是由谷歌推出的基于 核的开源操作系统， 目前广泛应用于智能手机和平板电脑等移动终端。 随着新兴嵌入式设备的崛起， 其开源性、可移植性和完善的应用程序架构使得基于 作系统平台的开发越来越受欢迎。 用程序 拥有 良好的人机交互界面， 简单的开发操作流程。以图形界面开发为例， 带多种控件供开发人员使 用，大大提高了开发效率 以及 减轻了开发难度，但是这些控件以二维图形 控件为主，立体三维控件仅有 以勉强实现，其动画效果表现欠佳。 控件开发需要高质量的图形系统支持。 台上的图形系统不仅有支持二维控件开发的 形系统，而且对于 S 支持也 体 现了 首先，在二维显示方面， 有使用 建 没有使用 提供向量绘图的方式，而是使用特有的向量图形函数处理库 带二维控件主要是基于 层图形库通过上层封装实现的，具体包括 承 大基类及其继承产生的所有子类。复杂控件是通过对简单控件的重新组合，通过覆写方法函数实现特定的属性和功能。 其次，在三维图形方面， 是采用基于嵌入式 3D 图形标准算法S 实现的 ，其中还包含了对设备的硬件加速支持 。 根据 用程序框架规定，三维场景可以在 进行渲染， 但是，三维图形渲染所用资源丰富，占用时间 稍长于 线程，因此，需要使用 的多线程机 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 制实 现 3D 图形的渲染，对于事件处理可以通过调用回调函数的方法 实现 线程间的 通信。 三维控件的开发就是基于 维图形系统提供的一系列功能实现的。 最后， 基于 形的三维控件技术的实现并非完全使用 台提供的 3D 图形系统。作为三维控件开发的基础， 台的 S 只提供简单的图形绘制、建模以及事件处理，对于复杂的三维控件的开发需要维护一整套能够处理复杂模型与事件的 三维 图形引擎。 综上所述， 三种平台 都具有良好的图形系统作为控件开发的基础，开发的控件各有特色，设计方法 大同小异 ， 最终 都带给用户舒适的体验 。 本课题主要针对 台上的控件开发，使用三维图形引擎创建场景。 统 三维图形引擎的发展概况 统上的三维图形引擎的发展主要依靠 台强大的可移植特性。随着 用的不断扩张， 作系统对三维图形的支持仅局限于 S 提供的简单功能已经远远不能满足开发的需要，于此同时，基于其他平台开发的三维图形引擎 的发展 非常完善， 而 作系统具有很强的可移植性， 因此 ，目前有多款 3D 图形引 擎已经成功的移植到 台，比较出色的三维图形引擎包括 及图形渲染效率和资源利用上它们都有自己的优点与不足。 1. 一款专门为 3D 游戏开发的 免费开源 图形引擎，使用 言实现 ，目前最高版本是 2003 年通过研究 创作了 缩写） ，之后 为 司 组成部分，许多开发爱 好者纷纷加入，逐渐扩大 性能、增添高级特性，最终使之 成为一个稳定的游戏开发平台。 目前， 成功移植到 台，支持 开发工具可以选择 台上的表现 相对于其他三维引擎较完善， 对 光、物理粒子系统、地形、纹理、资源管理等的支持决定了 台上的 特殊地位 ，当然其中的某些特性并未完全实现，开发者可以根据自己情况 在源码中 进行 添加 。 从 码可以看出， 经在 录下支持 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 开发。 本课题就是基于 维图形引擎开发的 统三维控件。 2. 前有 台上的移植版本 ，也是由 言编写，最低运行环境为 优点是具有很强的兼容性，体积小，专门针对 发，不足主要体现在运行效率有待考虑，但是由于使用 言开发，在 台使用非常方便。 3. 是著名的“鬼火”引擎 。 用 C+语言开发 ， 是一款 具有高效 渲染特性的 实时三维图形引擎 ， 它 具有很强的跨平台特性，可运行于 上 。 著名游戏专家 计， 支持粒子系统、动态阴影、角色动画、碰撞检测等高级功能，目前在 在 统上，由于 C+的效率要高于 以它的优点主要体现在 它高效的渲染特性上，但对于开发人员来说需要使用现本地代码的编译，调试难度大，很不方便。 4. 能比较简单，整个图形引擎的代码很少，特别是在 台上的移植版本从 2009 年以来已经很久没有更新， 是一款逐渐淡出 界的 3D 图形引擎。 是使用 言开发的，它实现了原型插件、 3灵动画等功能，不过目前研究资料较少，不适合商业性开发。 5. 一款 用 C+开发的面向场景的 开源 三维 图形 渲 染 引擎 ，而非三维游戏引擎。 以在多个平台上运行，在 台上可以使用和 译， 台则采用 编译 。目前在方网站有对 台的支持，具体版本需要 者更高，由于 用 C+语言开发，所有在 台上的开发仍需要借助移植到 台上的 本支持多种纹理图片格式，可以使用脚本对材质进行维护，但 染效率不高， 与 言开 发的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 引擎 相比入门困难。 以使用语言与图形渲染效率为参考标准， 台上的三维图形引擎 都有自己优势与不足， 目前没有完全成熟的引擎作为开发的主选，因此， 对于不同产品可以根据需求与侧重点的不同选择合适的引擎进行开发。 论文主要研究 内容 本 课题 以精伦电子股份有限公司研发的 “ 精伦云影音智能 机 三维立体主界面 ” 项目为背景， 通过移植 维图形引擎创建三维场景，在此基础上开发 基于 形的 三维控件。 课题主要研究内容如下： 1. 分析 统三维控件的整体设计。 首先对三维控件 的应用需求进行分析；然后重点阐述三维控件的实现原理；最后从多个方面对原理中涉及的关键技术进行详细分析，其中包括三维场景的实现、模型的创建与加载、控件在三维场景中的结构三个方面。 2. 详细分析三维控件模型的设计与管理。 从 形引擎本身提供的资源管理功能开始分析，详细论述三维控件模型的外观设计、动画设计、材质设计以及事件交互的设计， 探讨三维控件的 内部实现机制 。 3. 根据项目实例说明 台上的三维控件应用。 分析简单三维控件开发流程，介绍复杂三维控件在云影音智能机上的应用，结合当前 端的发展趋势分析三维控件应用的潜在价值。 4. 分析 台三维控件 存在的问题以及改进方向。 对三维控件的运行效率和视觉效果进行测 评 ， 提供改善建议，并对未来发展加以预测。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2 统三维控件的整体设计 基于 形的三维控件与二维控件的区别主要是控件所在的场景坐标系、控件的绘制、控件的焦点获取以及控件事件处理等方面的不同。三维控件的设计重点是选取优秀的三维图形引擎，移植到 台，节省开发难度和开发成本； 对三维控件整体架构进行设计，在维护 带控件原有属性的情况下实现控件的三维立体显示； 设计一套完整的三维控件管理机制， 能够使之在不同 工程 上重用。 本章详细分析三维控件的整体设计。 三维控件的应用需求分析 统自带控件 实现 原理及应用 形 系统包括支持 2D 图形的 支持 3D 图形的 S。基于 形的自带控件基本涵盖了 用开发的各个方面，除此之外， 统还支持自定义控件，将原有控件的属性进行额外扩展，增添新的功能，可以在不同工程间多次使用。 形系统是控件开发的基础，其架构 组成 如图 2示： 图 2形系统 件是 一部分 ，控件的绘制流程主要在 S 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 架内实现 。 统 中的控件是以控件树的结构 存在 于 的 ， 它分为 容器控件类 ） 和 非容器控件类 ） 两种，其中容器控件类又可以包含多个非容器控件类 。 控件树 中 的根节点， 它继承于 基类 为 器控件类使用 。控件的绘制包括三个过程： （ 1） 测量 大小 尺寸 （ 过程 。 主要完成控件大小的计算，设置每个控件的大小 ，如果是 型控件还需对每个子控件处理。 程需要调用三个函数 ，其函数原型为： 每个控件都会继承得到自己的 数，控件的大小和位置可以在 （ 2） 确定布局位置 （ 过程 。 控件的大小 是 针对控件本身的属性定义，控件的位置需要通过父子控件关系确定， 程实现 件中所有子控件的布局。 通过函数 设定控件在父视图中的四个点的位置，左（ （ （ （ （ 3） 画图 （ 过程 。 根据控件的大小和位置对控件进行外观渲染。 如果控件具有子控件则需要调用函数 所有子控件遍历，然后进行绘制。 由于 带控件都是通过基类 承而来，所以控件本身一般 通过覆写就会 具有绘制方法函数，这也为自定义控件提供了相应接口。 基于 2D 图形系统的控件绘制效率较高， 绘 制时间较短，一般不会阻塞 线程，所以，自带控件的绘制不需另开线程，线程安全性一般不需做评测。 基于控件的绘制原理， 统源码 的 架层定义了 一些 比较常见的控件类 。 这些控件具有预定义的属性，可以通过 件静态配置，也可以通过代码在程序中动态配置。 常用控件的分类如表 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 控件类 控件名称 实现功能 文本控件 示文本内容 编辑文本框 按钮控件 钮 片按钮 态开关按钮 选按钮 选按钮 图片控件 示图片 片查看器 时钟控件 拟时钟 字时钟 日期与时间选择控件 示日期 示时间 进度条与滚动视图控件 示滚动视图 示进度 表 2了以上常用基本控件之外，还有一些根据工程实际需要继承的控件类，这类控件的数量也比较 庞 大，典型的比如继承自 编辑框自动补全控件， 继承自 网格视图 等。 带控件 在外观上实现了二维图形界面的布局，在功能上完成了用户与系统的事件交互。 事件处理机制分为两种，一是基于回调的事件处理，二是基于接口监听的事件处理。当有事件发生时，事件消息首先通过 逐级向下传递，根据焦点路径找到相应的控件，然后 控件对事件进行 响应 ，作出处理， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 事件消息不再向下传递 ，如果当前焦点不在控件之上，消息最后需要传递到当前激活的 行处理，比如 键事件。 整个事件处理框架的设计实现了高效的运行机制，响应准确度以及响应速度都 达到了 理想的效果。 维控件在 台上的应用需求 随着嵌入式产品用户界面开发复杂度的不断提升， 平面 二维 界面 的局限性越来越明显，如何突破 场景的束缚，实现具有三维视觉体验的用户界面成为发 的 新需求。 三维控件是三维界面开发的重要组成部分， 与二维控件不同，基于 形系统的三维控件在框架内没有定义。 因此， 台上的三维控件设计不仅是一项新的课题，而且具有特殊的要求。 1. 图形 系统 的 选择 与实现 作系统底层支持 维图形库和 S 三维图形引擎。由于三维控件的开发需要加载复杂的模型和处理各种事件交互，而 统支持的 S 只能绘制简单的三维模型，加载少数纹理格式，远远不能满足开发的需要，所以， 选择 一款 基于 三维图形引擎尤为重要。 一款 使 用 言开发的开源三维 图形引擎， 兼容多个平台，具有完整的开发 文档 ，目前已成功移植到 台。 选择 为三维控件开发图形平台，不仅可以继承引擎丰富的资源功能，而且可以通过修改源码对引擎重新定制，维护自己的版本。 2. 三维控件在 功 能和 性 能上的要求 实现多功能的三维控件需要在参考 统原有控件基础上进一步设计 。 自带控件的功能比较完善，能够满足绝大部分开发要求， 三维控件在功能上要达到相同的效果需要做多方面的改善与拓展： （ 1）典型的三维外观设计。 外观是三维控件与二维控件最明显的区别。三维控件要求模型 在 三维场景 中构建 ，能够 在 Z 轴上移动，以此来区别控件的远近大小。外观设计有时需添加特效，比如镜面倒影、灯光反射等。外观设计还与三维场景 的 节点相关，控件树的父子关系决定复杂控件的整体层次，父节点的属性可以通过继承影响子节点在外观上的表现。 （ 2）流畅的动画效果。 三维控件的动画可分为两个部分，一是控件本身的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 动画，二是为控件整体设置的外部动画。三维场景 中 模型的运动自由度被大大解放，以模型为基础的三维控件可以通过外部工具添加骨骼动画，同时也可以利用关键帧动画设置模型的整体运动。 具有物理特性的动画效果能够使三维控件更加逼 近现实世界中的物体，使用户界面具有真实感； （ 3）支持多种格式的材质。 材质是在外观设计的基础上对模型的进一步完善。控件外观解决控件的架构