（机械电子工程专业论文）铁路线路平面扫描图连续净化处理方法的研究.pdf

、 i f 北方交通大学机械与控制学院硕士论文 摘要 摘要 随着铁路现代化建设与管理的发展，计算机在铁路部门的作用 日益突出，成为铁路加快自身发展以及同其他运输部门竞争的有效工 具。从1 9 9 7 年开始，我国铁路四大干线陆续进行提速，准高速、高 速的运营对管理和调度的准确性和快速性提出了更高的要求，建立在 线路平面图基础上的可视化线路环境有助于铁路运输的规划与管理。 为保证高质量的可视化环境，本课题在实现现有图纸数字化的基础 上，对线路平面图图象进行净化处理，为可视化系统提供可靠、准确 的运行平台。 厂、 一线路平面图是铁路建设和管理的重要资料，对这种大幅面、狭 长带状的扫描图象进行连续的批量处理，是本系统的特点和难点。论 文在对普通单一图象处理技术研究的基础上，提出了建立在沿里程方 向连续显示图象基础上的批量处理图象的方法，使铁路的大量线路图 可以一次处理完毕，并能够保证处理效果在视觉上的一致性。 系统采用了实时管理内存的方案，根据用户视野来决定调入到 内存的图象，当观察角度变化时立即修改内存图象，同时将用户可以 观察到的图象显示在屏幕上。在沿里程方向进行图象批处理的时候， 系统实时地调整各图象的处理参数，以使所有图象的处理效果保持一 致。在局部处理时，系统重点考虑了两幅图连接处的衔接问题，保证 视觉上局部处理的无缝性。程序运行结果显示状态平稳，除铁路线路 平面图外，对其他如公路或河流等呈带状的地理图象的图象处理也具 有一定的适用性。j 主题词：图象处理，线路平面图，可视化 l j i 北方交通大学机械与控制学院硕士论文 a s t u d y o nt h ec o n t i n u o u s l y i m a g ec l e a n s i n g m e t h o df o rt h es c a n n e d r a i l w a ym a p s a b s t r a c t w i t ht h em o d e m i z a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yc o n s t r u c t i o n a n d m a n a g e m e n t ，t h e r o l eo fc o m p u t e r si s i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t c o m p u t e r s h a v eb e e nau s e f u lt o o lf o rr a i l w a yt od e v e l o po rt oc o m p e t e w i t ht h e c h a l l e n g e f r o mo t h e rt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r i e s f r o m19 9 7 ， c h i n am i n i s t r yo f r a i l w a y sb e g a n t oi n c r e a s et h er u n n i n gs p e e d h i g h e r s p e e dr e q u i r e sm o r ea c c u r a t ea n dm u c hq u i c k e ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n a n df e e d b a c k av i s u a l i z e ds y s t e mb a s e do nr a i l w a ym a p so nc o m p u t e r s i sh e l p f u l t h i sp r o j e c tf i r s tm a k e sa l lp a p e rb l u e p r i n t so fr a i l w a ym a p d o c u m e n t sd i g i t a l i z e df o rf u r t h e ru s e ，t h e nd e v e l o pt o o ls o f t w a r et o e n h a n c et h ei m a g e q u a l i t y t h e s eh i g hq u a l i t yc o m p u t e ri m a g e s f o r mt h e p l a t f o r mo f t h ee n t i r ev i s u a l i z a t i o ns y s t e m r a i l w a ym a p i su s e f u lf o rc o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n t h i sp r o j e c t i sc h a r a c t e r i z e dw i t hh o wt o a p p l y t h e d e v e l o p e di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt ot h es p e c i a lc o n d i t i o no f t h e r a i l w a ym a p s ，w i t hg r e a tl e n g t ha n d v o l u m e a f t e rd e t a i l e da n a l y s i sa n d p r o c e s s i n go ni n d i v i d u a li m a g e ，t h ep r o j e c tb r i n g sf o r w a r d am e t h o df o r e n h a n c i n gt h eq u a l i t yo fi m a g e si ns e r i e s ，w h i c h i sb a s e do nt h er e a lt i m e r a m m a n a g e m e n ta n di m a g ed i s p l a y t h es y s t e m c a na u t o m a t i c a l l y c h a n g ei m a g e si nr a m a n dt r a n s f e ri m a g e sb e t w e e nh a r dd i s ka n dr a m a c c o r d i n gt o t h e c h a n g eo fu s e r s v i e wp o r t ，a n dt h e nd i s p l a yt h o s e c u r r e n t l yi nt h ev i e wp o r to nt h es c r e e n t h ev i e wp o r tc a nb em o d i f i e d w i t ht h em o v e m e n to fm o u s e o n c et h ea d j u s t i n gm o d u l e i se x e c u t e d ，t h e i i 型堡堕塑生篁! ! 堂皇丝型兰垦堡主笙苎 垒! ! ! ! ! ! ! i m a g e si nt h ev i e wp o r tw i l lb ep r o c e s s e d i nf a c t ，t h es y s t e mc a nr u n s t a b l l y b e s i d e st h er a i l w a ym a p s ，t h i ss o f t w a r ec a na l s ob ea p p l i e dt o o t h e rk i n d so f i m a g e s ，w i t hg r e a tl e n g t ha n dv o l u m e k e yw o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，r a i l w a ym a p ，v i s u a l i z a t i o n i i i 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 目前，铁路受到来自公路和航空运输的激烈竞争，要想使铁路继 续成为该行业的主动脉，就应当和当今世界上各种电子技术、计算机 科学和新材料新设备新技术相结合，实现铁路的现代化。高速铁路自 1 9 6 4 年在日本问世以来，以其强盛的生命力得到了迅速的发展，已 成为世界铁路的发展趋势。我国既有线路的高速化改造也有了迅猛的 发展，对高速铁路的设计、施工及线路维护，以及运营中的管理等等 方面有了更高更大的要求。这些新要求的实现都要借助于现代化的科 技手段计算机技术。 1 1 可视化技术在铁路系统中的应用前景 随着现代科技的发展，工程中一次要处理的数据量越来越大，传 统的方式已经不能满足快速准确高效的要求。研究表明，视觉信息是 人类最主要的信息来源，人所获取的各种信息中，有6 0 以上来自 视觉1 1 i ，图形图像是人最容易接受的视觉信息。“可视化”的英文是 v i s u a l i z a t i o n ，于1 9 8 7 年美国国家科学基金会召开的“科学计算可视 化研讨会”上第一次正式被提出。它是研究如何把各种数据，无论是 通过计算还是测量还是通过网络传输的数据，转化成可视的、能帮助 用户理解和应用的信息的方法。可视化也可以理解为一种能同时满足 图象理解和综合的手段，可以通过直观的手段对数据进行有效的研 究。可视化技术的基本思想是“用图形与图象来表征数据”，从而充 分利用了人类视觉能力，通过图形图像迅速给人一个概貌，反映错综 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第一章绪论 复杂的关系，既直观，信息含量又极其丰富，大大地加快了抽象数据 转化为形象思维的速度，使某些事物的内在规律一目了然地呈现在人 们的面前。 可视化技术可以分为三个层次：后处理，实时跟踪和驾驭【2 】。后 处理最为常见，即通常所说的数据可视化，是在计算机处理结束后开 始的，目前这个技术已经成熟，开始实用化。实时跟踪具有一定的交 互性，允许监控程序执行，在进程中可以同时做一部分可视化工作， 一旦达到目的或发现异常情况，随时可以终止或采取处理措施。实时 更好的体现了可视化的内涵，是目前可视化研究的焦点，这往往指实 时的跟踪和有效的控制全部过程，同时进行计算与分析，一旦发现不 符合的特性就可以对整个过程进行干预。驾驭意味着计算与可视化并 发进行，它使得可视化逐步完善，目前它还处于理论上的探讨，它是 可视化研究的终极结果。 可视化虽然还是个新的术语，但却已经成为科学和工程必不可 少的组成部分，不再是一个辅助工具。自美国c i p 的v i s c 的报告发 表至今，国外在可视化方面的研究已经取得了迅速的发展。很多计算 中心、实验室和学术科研单位纷纷指定发展可视化应用的计划。目前 发展较成熟的可视化平台都是把交换图形技术与超级计算能力结合在 一起，为用户提供一个可视化的框架，用户把系统各模块结合在一起 就能形成不同的可视环境。作为9 0 年代计算科学和图形学的研究热 点，国外可视化的研究通过结合超级计算机、高速网络、高性能图像 工作站和虚拟环境，基本完善了后处理方式，并在实时交互方面不断 的取得进展。国内在可视化的研究和应用上还处于起步阶段，研究的 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第一章绪论 重点还放在“后处理”，应用的深度和广度远远不能满足实际需要。 由于硬件条件差，多数单位仍以中低档工作站做为硬件平台。 地图是一种利用可视化技术来解释大体积数据的典范，传统的地 图都以纸张为信息的载体。由于大型信息库的要求，以及计算机技术 的发展与成熟的有利条件，计算机可视化已经进入到地图制作和管理 领域，成为有效制作和管理的最优途径。视觉的重要性结合计算机技 术的发展，通过人和机器相互协作，以一种直观的方式加以统一，能 把传统的纸张信息以计算机图象的形式表达出来，在模拟和控制过程 运用实现可视和交互，大大地提高了科学研究和实际应用的效率，给 地图信息的发展提供了新的突破口。 在我国铁路领域，目前各部门的工作主要还是需要纸张线路平面 图提供大量信息。手工制图方式因涉及的信息量巨大，仅靠人力高强 度的劳动，难以进行最优化组合并实行最高效率方案。另一方面，高 速铁路的运营管理对及时准确地获取现场数据也有更大的要求，依靠 图纸提供数据的传统方式已不能够满足要求。基于线路平面图的计算 机管理系统为这些问题找到了一个优化的出路。考虑到计算机能够接 收和处理的只是数字化信息，因而必须首先将传统的、以纸张形式保 存的铁路线路图转换为计算机可以处理的图象。扫描充分利用了现有 的图纸资源，是一种高效、便捷的数字化方法。 可视化系统的开发主要包括图形、图象处理技术的软硬件和可视 化界面工具，也就是说，可以实现解释输a n 计算机的图象数据并从 这些数据中得到有用的信息。地图可视化以计算机科学、地图学、信 息传输学与地理信息系统为基础，目的是直观、形象地表现、解释和 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第一章绪论 传输空间信息并揭示其规律，研究的重点是通过计算机技术、数字技 术和多媒体技术传递地理信息。对地图学来说，可视化已超出了传统 的符号化和视觉变量表示法的水平。在时空变化、交互性的条件下， 它的研究重点还包括将那些通常难以直接表达或及时得到反映的信息 以动态直观的方式表现出来。作为其中一类分支的线路图可视化系 统，一方面可以提供直接的视觉信息，另一方面还应该能为分析或处 理的数据和结果提供人机交互接口。 1 2 线路平面图信息系统 信息化社会中人们的一切活动都离不开信息，在我们的社会和日 常生活所涉及的信息中，有8 0 与地理信息密切相关1 3 】。铁路的建设 和运输都是基于地图进行的，然而现代化交通对快速、准确、高效的 要求，使原有的方式已远不能适应。借助计算机技术和g i s 技术是 铁路适应现代化发展需要的有效途经，也是提高运输适应能力的必不 可少的条件之一。从铁路的选线，线路建设和维护中要用到的地形、 地貌信息，到防灾减灾、事故救援指挥要用到的实时线路状况信息， 都是整个铁路系统中至关重要的信息。这些信息的集成化和可视化有 助于指挥人员更有效地进行调度、决策、控制与协调。在铁路部门中， 线路平面图系统的作用主要表现为采集、存储、描述、规划、管理、 分析线路以及线路周围与地理地貌分布有关的数据，是一种以线路图 空间数据库为基础的，以计算机为工具的，具有地理图形和空间定位 功能的空间型数据管理系统。 ， 4 1 2 1 数字化的线路平面图 地图作为描述人类生存环境的一种信息载体，已经成为生产和生 活中必不可少的一种工具。尽管地图发展由来已久，但实际上少有实 物流传。长期以来，手工制图在地图制作中占据了主导地位，制作的 精度要求决定了只有少数专业工匠才能完成。尽管现代技术、工具和 材料的广泛发展，地图编绘的复杂和烦琐并未得到根本的改变，手工 制作仍占有重要的地位，即使在现代制作中也是如此。随着计算机技 术和计算机辅助技术的出现和发展，地图信息系统发生了革命性的变 化，传统工艺中许多的不便通过利用计算机技术都得到了消除。计算 机辅助的引入，极大地提高了地图信息制作的效率，信息数据的精确 程度和可靠性，开始了地图信息系统的新纪元。数字化地图信息的意 义和优点有： 数字化地图可以充分利用已有的基础地理数据快速、准确地转成 另一种所需要的数据，从而得到关于同一地区的、不同形式或能 满足不同需求的地理信息。 数字化的地图信息能提供更大的灵活性，能综合各种不同来源的 数据，便于更加自由地进行各种设计。光栅格式的数据能很好的 反映数据的原貌，数字化的工作量并不是很大，是一种优秀的图 象数据形式。 数字化的图纸可以在短时间内反复显示，利用软件的各种功能， 不仅可用于观察错综复杂的图形的某个细节，借助高级的工作站 还可以实现许多直观无法观察到的内容。用在线系统代替那些手 册，图册和大堆易损的纸质数据备份，既可以节省大量的时间和 资金，同时能保证工作的效率。【4 l 目前在实际中广泛使用的，可以充分利用的最大地图信息来源是纸张 形式地图，鉴于尽可能使用已有数据是一种经济、直接的手段，因此 可以通过图纸信息数字化转变的工作来获取计算机可处理的地理图象 数据。 铁路线路平面图是地图信息的一种，它是铁路运输行车的基础。 由于自然环境的影响和生产实际中的需要，线路的维护工作在整个铁 路运输事业中占有十分重要的地位，是铁路安全运输的必要条件。为 了有组织有计划的合理实施线路维护工作，就需要时时监控和处理线 路安全，这些基本信息的来源就是从线路平面图得到的各种路面情 况。铁路运输有一整套严密的组织和实施程序，实时的线路图和列车 运行图是维护铁路正常运转的一个重要任务。无论是调度安排，还是 线路维修工作都必须了解线路状态的变化状态，才能取得最好的经济 技术效益。要对线路设备进行实时的调查和检测，并将最新的信息提 供给工作人员使用，这一工作过程中，作为信息交互的铁路线路图地 位非常重要。 1 2 2 线路平面图信息的可视化 数字化的线路平面图是铁路信息系统的两大数据库之一的编图数 据，既是连挂所有信息的基础，又是所有可视化信息输出的途径，它 的质量、提供信息的可靠性将直接影响到整个信息系统运行的有效 性。为此，数字化后的图纸应该具有最小的误差度，能够提供给用户 简便、直观、信息偏差小的信息交互界面，使工程和管理人员可以迅 速准确的获取各种原始信息，实现各自功能。 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第一章绪论 实际中无论用何种方式输入图象数据，在用于信息系统之前都会 和实际有很大的差距。通过扫描方式获得的地图信息，一方面由于硬 件本身和扫描操作的不当，不可避免地存在信息的遗失或干扰噪声的 引入，如线段的不连续，某些不该出现的线条或点，以及图纸本身的 变形等等，均应在正式利用信息前进行纠正处理：另一方面，地图上 有些信息在扫描过程中是无法加入的，然而信息系统中又要使用，这 一情况也必须进行补足。后- q , 问题不是本课题论述范围，本课题主 要涉及的是对扫描图信息失真进行纠正处理。 在计算机普遍运用之前，铁路上各种数据的汇总、检索、传递以 分散作业和手工操作为主，各管理单元和各类数据彼此分割，靠人工 传递数据。近年来随着科学技术特别是计算机技术的发展，数据和文 字信息部分地采用了计算机来实现管理和检索，一定程度上已经摆脱 了翻阅资料的烦琐工作，极大地提高了数据的检索速度，铁路线路数 据已实现了规范化的数据库管理，也出现了一批优秀的软件。但是， 这些进展都没有充分利用线路平面图信息，数据和文字信息没有得到 平面图地理信息的校核，线路数据与线路实际状况不一致的现象时有 发生。由于现场工作非常繁忙，铁路沿线布置的线路固定设施很多， 线路信息极其丰富，在某种情况下还要参照线路周围的地形、地貌、 公路、水运等安排事故救援、抗灾、线路维修、牵引试验、临时限速 及向主管部门汇报等任务，保存在图纸上的线路信息不易查找和通过 网络传输，尚不能完全满足现代化铁路信息化管理的要求。 线路信息的可视化系统正是立足于此，以线路数据和实验数据为 对象，采用计算机图象处理技术，对南昌铁路局局内全部铁路线路平 三堕! 塑查堂塑塑兰堡型三堡堂堕堡主堡苎 墨二兰堕丝 面图的图象真观数据、属性数据以及列车试验数据进行可视化处理， 运用针对铁路线路地形地貌、周围景物进行数据描述的可视化处理方 法，建立起实用的可视化系统。 1 3 课题的主要内容 线路平面图是整个可视化系统的技术关键。由于线路平面图以铁 路的线路走向和线路两侧地形为主，而线路走向蜿蜒曲折，里程很长。 因此其基本轮廓区别于一般的地图，主要表现为长宽比例很大的带状 图象。对于这种图象，因为计算机内存的容量有限，必须通过一系列 的切割、旋转、拼接等手段，建立起基于“大地坐标里程”的图象 定位检索系统，为实现所有图象按铁路线路信息查询提供运行平台。 这样可以实现铁路全线范围内点面动态结合，实现任意地点线路情况 的迅速检索和定位，以及实现线路平面图按“大地坐标里程”自动 调入内存和从内存中释放。从而通过计算机屏幕画面，以图象的方式 提供线路和线路周边整体地形地貌图，为线路属性数据等提供交互平 台。本课题以及整个可视化系统的构成如图1 1 所示。 1 1 可视化系统各模块的构成 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第一章绪论 大部分铁路局现有的线路图都是蓝图，因此必须开发一种图面净 化的工具，为数字化后的图纸解决消蓝和线条锐化的问题。与整卷的 蜡底图相比，翻晒的蓝图最大的缺点在于图面不清洁。由于图纸表面 质量与晒图时的曝光量、温度、熏图时间、氨水浓度有关，各局段保 存的线路蓝图的清晰度、反差等图象指标都不一致，很多情况下，由 于制图任务不是由一个单位完成，即使一个局管范围内的图纸，蓝图 的效果也有很大的差别。 当图面上的线条的蓝色较深，背景基本无蓝色时，尽管纸张的本 色会使扫描结果产生灰度背景，但只要用增大反差和提高亮度的方法 即可消除背景噪声。当图面的背景也呈现较深的蓝色时，灰度扫描图 象文件表现出前景和背景之间的灰度值差别较小，采用提高反差和亮 度的清洁处理方法效果不理想。按照图象处理原理，应采用特定的方 法对原图偏蓝的灰度扫描图进行净化处理。 针对这种现状，有必要研究开发适合于现场需要的、有效的图象 处理工具软件，为线路信息可视化系统提供运行平台。本论文所展开 的研究，就是尝试专门针对铁路线路图形特点，完成对连续长卷的扫 描图进行批量图象处理的方法，使近年来开发的可视化系统更加实用 化，为铁路提速改造的工程设计和现代化管理决策提供帮助。本课题 就以上述内容为目标，完成了以下的工作： 建立起基于大地坐标和里程坐标的实时( 动态) 线路平面图内存 管理和显示系统； 开发对单幅图象进行调整、擦除、局部亮度和对比度增强的工具 软件； 9 苎互奎塑茎兰塑塑兰业堡堂堕堡主堡壅 塑二童堕望 对连续动态显示的线路平面图进行整体对比度和亮度提高调整； 对连续动态显示的线路平面图进行局部的擦除、亮度增强和对比 度提高的处理，在两个图象连接处要保证处理结果的无缝性。 1 0 第二章线路平面图净化系统的总体介绍 通过上一章的介绍知道，线路平面图数据可视化的目的之一是借 助计算机对线路平面图进行管理和归档，并进一步为工程辅助设计、 辅助决策等提供运行的计算机信息平台。可见，高质量的数字化平面 图系统是整个大系统运行的基础，本章就线路平面图净化子系统的总 体情况进行介绍。 2 1 图象净化系统的功能及特点 整个线路平面图可视化系统是建立在w i n d o w sn t 操作系统基础 上的。作为可视化运行信息平台的线路平面图净化子系统，不但为用 户提供了直观、实时、可任意查询的线路状况信息，而且能够同期完 成对数字化的线路图的后处理工作。它主要具有以下几方面功能： 1 实现现有铁路线路平面扫描图的动态显示，并可通过计算机 屏幕显示为用户提供关于线路、桥梁、隧道、车站、平立交道口等设 施描述的数据库的交互界面( 信息联挂的接口) 。能够反映出路局内 某路段在最近一段时期内的线路状态，为线路维护和管理提供实时依 据。 2 显示线路及线路周边的地形地貌状况，提供线路状况信息， 并能够进行实时修改，反映路况。 3 能够对单幅的线路平面图进行图象增强处理，调整图象的亮 度范围和对比度。并能够对图象局部的缺陷进行修整，包括局部噪声 擦除、局部亮度提高和局部对比度增强。 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文第二章线路平面圈净化系统的总体介绍 4 随着用户滚动条的滚动能够对多幅线路平面图进行动态的批 量处理，可保证所有图象最终处理效果的一致性。对用户而言，处理 过程中图象在内存和磁盘之间的交换、内存图象成员的调整，以及图 象的屏幕显示过程是透明的，用户不参与到其中。 与其它铁路可视化软件和图象处理软件相t b ，净化子系统具有 以下的独特功能： 1 一次提供的线路信息量大，查询方便。系统完成了对南昌铁路局 向塘西至沙河街北范围内约2 7 3 公里的线路平面图扫描工作，并 实现了该段的可视化，可以随时查看任意地点的线路信息。 2 各线路路段之间独立性强。由于种种原因，实际线路的情况随时 都可能发生变化，例如某些车站站址的变更，或某段线路小半径 的修改，或者某路段出现紧急事故等等，这都要求软件设计人员 在编程时充分考虑系统的可维护性。由于线路数据是按照“卷” 进行归档保存的，因此当某段线路的数据发生变化时，可以将其 暂时摘离系统，待不一致的数据被更正后，再重新投入运用。 3 对于大容量、多卷、需要用多个图象文件存储的铁路线路图有较 强的针对性，能保证用户在使用过程中感觉不到“图象拼接”的 痕迹，而认为所有工作是在一幅完整的连续长卷图象上进行的， 即保证了图象再拼接和处理工作的无缝性。 4 可以作为数据接1 3 ，供挂接独立的线路设备信息和其它的可视化 工具。例如可以通过用鼠标点击屏幕上某个图例，调出更加详细 的线路相关信息。 2 北方交通大学机械与控制工程学院硕士论文 第二章线路平面图净化系统的总体介绍 2 2 系统的分析与设计 铁路的线路数据可视化系统是在现有纸张形式的线路图基础上进 行开发的，图纸本身的缺陷以及扫描过程中操作误差引入的噪声干 扰，都不利于数字化后的线路平面图直接用做信息的运行平台，因此 有必要对数字化图象进行预处理工作，并为用户设计操作界面，这就 是平面图净化子系统的任务。在软件的研制与开发过程中，系统结合 南昌铁路局随车牵引试验线路数据可视化工作的需要，对局内向塘西 至沙河街北一段进行了线路平面图的扫描工作，然后完成线路平面图 的存储和管理工作，开发出线路平面图图象净化处理工具软件。该软 件亦能够用于单幅扫描图象的处理。 2 2 1 系统的工作流程和各流程的任务 正如上一节系统功能所描述的，系统的主要工作流程如下： 把目前铁路局能提供的线路平面图纸扫描到计算机内，以b m p 格式保存在磁盘中： 对所有扫描后的线路平面图进行归档管理。建立基于大地坐标和 里程坐标的索引文件，记录每个图象文件在磁盘系统中的位置和 相关的图象属性信息： 根据索引文件，在计算机上实现基于大地坐标和里程坐标的线路 平面图的动态连续显示。 针对铁路线路平面图长宽比例大的特点，开发批量连续地处理图 象的模块； 在连续显示图象阵列的时候，对图象进行局部处理工作，主要包 括局部噪声的擦除、局部亮度提高和对比度增强。 型! ! 丝望奎兰塑塑量篓型三堡鲎堕婴主笙塞苎三皇垡堕! 耍望堡些墨垄竺璺笪坌塑 2 2 2 系统的关键技术 线路平面图图面净化予系统的研制开发中，主要将涉及到以下几 方面的技术： 实时内存管理和图象显示技术 由于图象频繁调用，线路平面图和以后要联挂的线路信息数量庞大， 在微机平台上运行时必须对计算机内存进行很好的管理，保证整卷图 象中各单一图象在滚动显示时的连续性。本软件运用磁盘与内存交换 的方法来动态的控制软件运行时所使用的内存大小，只有和当前用户 视野范围的图象才进入内存，退出视野范围的图象则送回磁盘中，显 示时将根据视野范围和屏幕窗口大小共同确定屏幕上图象的大小。 图象处理技术 图象处理是本软件系统的中心问题。南昌铁路局提供的线路平面图蓝 图不同于以往的蜡底图、航测图和计算机辅助设计的d w g 图，背景 和线条颜色的反差小，因此必须进行图面净化工作，即解决图面消蓝 和图象增强的问题。该部分是本系统的重点，要求将已有的图象处理 技术与线路图的特点结合起来，能够一次处理多幅连续的图象，并使 得各个图象处理的结果一致，此处技术关键在于，如何确定各幅图象 的对比度和亮度处理参数。 对于局部处理，要解决的关键问题是局部处理发生在两幅图象的连 接处时，如何保证局部区域的整体性，使局部处理在两个图象对象上 连续进行。 1 4 2 茎釜望茎兰望塑生篁丝型三塑堂堕堡圭丝奎 笙三兰些堕王亘望堡些墨竺竺璺竺坌塑 2 3 系统开发环境 线路平面图净化子系统是一个有大量图象数据需要连续显示 的，兼有图象处理功能，并能够后续挂接补充信息的，以微机为核心 的系统。- - y 系统因为涉及到大! l - i ；勺l ! t 象和图象的处理，在硬件方面， 除了应具有一般微机的基本配置外，还需在存储设备、处理速度方面 有更高的保证。此外，为使系统既易于移植又具有友好的用户界面， 还应为系统选择合适的开发平台和开发工具。 2 3 1 硬件基础 本净化子系统的硬件平台由p e m i u mp r o 及以上高性能微机( 3 2 兆以上内存) 、大容量硬盘、2 1 ”高分辨率监视器、v g a 兼容卡( 1 0 2 4 7 6 8 全彩色) 构成。 大容量硬盘是系统使用到的设备之一。对于本系统来说，图象数 据量主要是从沙河街北到向塘西全线的线路平面图资料，以及将来需 要连接的设备辅助信息。系统的处理对象是扫描的比例尺为l ：2 0 0 0 的线路平面图，以b m p 格式保存。考虑到现场设备条件和使用环境， 因此采用了没有经过压缩的b m p 格式，这种格式的图象文件需要的 硬盘空间相对较大。因此系统的在设计过程中，为既能提供一定精度 范围内的线路平面图信息，又不占用太大的内存空间，线路平面图按 照每次根据用户视野大小，实时确定需要调入内存的图象文件个数来 管理内存和显示。由于系统运行在大数据量图象连续显示的状态下， 需要系统对图象数据具有高速的运算能力和吞吐能力，这部分能力的 好坏，不但取决于c p u 的运算速度和内存容量的大小，还取决于硬盘 的i o 响应速度，因此也要求硬盘具有较高的i 0 速度。 韭三篁窒通大学机械与控制工程学院硕士论文第二章线路平面图净化系统的总体介绍 目前，硬盘按接口来分，可以分为两种类型：s c s i 型接口和i d e 接口。s c s i 型接口的硬盘的速度较i d e 型接口要快，目前它可以达 到每分钟7 5 0 0 转的转速，而i d e 型接口硬盘的最高转速大约在4 5 0 0 5 0 0 0 转之间，因此这两种类型的硬盘速度有着明显的差距，但是， s c s i 型的硬盘价格比i d e 型硬盘的价格要贵很多。兼顾速度和价格 两方面的因素，本可视化系统在开发过程中选用了转速4 5 0 0 转的i d e 型硬盘，目前系统的运行情况表明，这一硬件的选型是合理的。 显示设备是可视化系统的另一个关键的硬件设备。为使系统运行 时图象信息更加丰富，一屏幕显示更多的相关可视化数据，系统要求 显示器和显示卡必须支持到1 0 2 4 7 6 8 全彩色的显示属性。 2 3 2 软件平台及开发工具 软件平台及开发工具对系统的开发周期和系统质量有着重要的 影响，为保证净化系统的开发质量和周期，软件平台及开发工具必须 满足以下要求： 必须易于有效地使用，使人乐于使用，而且响应时间令人满意； 具备“友好的”且提供信息的用户界面： 必须是稳定的； 必须保证图象数据的安全 应该易于控制；且便于及时修改图象数据； 适用于当前整体可视化系统的应用： 针对以上要求，本可视化系统建立在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s n t 操作系统基础上，以v i s u a lc + + 作为系统的开发平台，调用了v i s u a l c + + 的基础类库，可以容易地被移植到以w i n d o w sn t 为操作系统的 1 6 韭苎兰望生壁兰丛堡兰丝型三望兰堕堡圭笙奎苎三兰垡堕! 亘里堡些墨竺塑璺堡坌塑 任何微型计算机上。 选择w i n d o w sn t 作为本可视化系统的软件平台，是由于 w i n d o w sn t 是一个具有抢先多任务方式、存储器保护、支持对称多 处理( s m p ) 和联网的3 2 位操作系统。而且n t 的内部客户机服 务器模式把操作系统内部分为两个部分，并且动态地采用磁盘高速缓 冲，极大地改进了系统的性能，见图2 - 1 。 由于w i n d o w s n t 支持多线程，因此具有多任务特性，可以同时 j 1w ；n a 。w s n t 执行体 图2 - 1n t 的客户机朋务器结构 用户 内核 做几件事情。n t 还可将线程分配给另外的c p u ，从而使线程的执行 更加平滑。w i n d o w sn t 的这种抢先式多任务调度方式能够让一个应 用程序抢先。w i n d o w sn t 的存储器保护方式使每个应用都有独立的 4 m b 可寻址逻辑地址空间，各个应用程序运行在自己的逻辑地址空 间内，不但保证了每个应用都有足够的内存空间来运行程序，而且各 应用程序之间互不影响，一个应用程序的崩溃不会导致其它应用程序 和操作系统的崩溃，从而提高了系统的可靠性。本净化系统对图形的 处理很频繁，同一时刻调入计算机内存中的图形数据量也较大，因此， 对计算机系统的内存管理要求很高，w i n d o w sn t 的存储器保护方式 在这方面有着独特的优势，不仅可以提供足够的逻辑空间，而且保证 系统运行的稳定性。 w i n d o w sn t 广泛使用了图2 1 所示的一种客户服务器结构。 在这种结构之下，应用程序是客户，它们申请各种服务，让操作系统 完成诸如在屏幕上创建窗口、数据发送等工作。它们的所有请求都通 过n te x e c u t i v e 实现，n te x e c u t i v e 管理这些请求，将请求按队列排 序，然后把它们传递给相应的服务器。服务器则提供操作系统的功能。 由于服务器能给任意数量的客户( 应用程序) 提供服务，从而缩小了 操作系统的规模，提高了系统运行的速度。 总的说来，n t 的这些特点对于本净化系统来说具有很大的优点： 它可以满足系统在进行大数据量图象处理时对系统存储器的要求，保 证很高的运行可靠性和很好的移植能力。对于用户来说，几乎所有的 用户计算机上都安装了或安装过w i n d o w s 系统，w i n d o w s 系统的图 形化界面和统一的风格对于用户并不陌生。因此，本可视化系统选择 w i n d o w sn t 作为软件平台。 v i s u a lc + + 是一个可视化的、用于编译、链接w i n d o w s 程序的软 韭查奎垦查兰垫塑兰墼型三堡兰堕塑主论文第二章线路平面图净化系统的总体介绍 件开发系统。选择v i s u a lc + + 作为开发工具的最直接的理由在于： v i s u a lc + + 和w i n d o w sn t 都来自于m i c r o s o f t 公司，毫无疑问，这 将提供最大的代码一致性和应用程序运行的可靠性。除此之外，对于 w i n d o w s 程序开发来说，v i s u a lc + + 还是一个优秀、方便、高效的开 发工具。v i s u a lc + + 软件开发系统包括一个c c + + 编译器，一个链接 器和一个基于图形的编程辅助工具包v i s u a l 工作平台。它可以 帮助生成程序的基本代码、定义c + + 类、处理w i n d o w s 消息和完成 其它任务。随v i s u a lc + + 开发系统提供的m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) ， 是c + + 类库的扩展，用于生成w i n d o w sg u i ( 图形用户接口) 程序， 它提供了许多高级特性，它的引入简化了w i n d o w s 程序的编写，可 以节省很多的编码工作，提高程序开发的效率。 2 4 主要模块功能 为了实现系统的净化功能，整个软件分为了线路平面图内存动态 管理与图象显示模块、图象增强的批处理模块、局部噪声擦除模块、 局部亮度提高模块和对比度增强模块，共5 个模块。各模块的功能如 下所述： 1 线路平面圈动态内存管理与图象显示模块： 根据当前鼠标点下的位置，或者滚动条的当前位嗣，换算出对应的里 程值；通过检索图象索引文件，调入用户视野范围内的线路平面图； 当鼠标或滚动条位置发生变化时，应当对内存中的图象进行调整，并 刷新屏幕。 2 图象增强的批处理模块： 1 9 根据滚动条的位置改变，该模块将完成当前内存中图象的增强处理。 该模块中将完成对处理结果的保存，对当前图象的象素点灰度值采样 并调整和确定增强处理参数的任务，以保证各图象处理数据的相关， 协调最后结果。 3 局部噪声擦除模块： 根据用户选择的擦除区域大小，将当前鼠标位置指定大小的区域进行 擦除。当鼠标落在图象连接处时，要做特殊处理，保证擦除区域在两 个图象上的完整性。 局部亮度提高模块 当前 规律 鼠标的位置指定大小的圆形区域进行处理，按照高斯曲线变化 由圆心沿半径方向做变换，使圆内区域象素点灰度值由最亮过 渡到周围的灰度值。该模块同样要对连接处的局部亮度提高问题进行 特殊考虑。 5 局部对比度增强处理： 将当前鼠标的位置指定大小的圆形区域进行处理，增大圆内区域的前 景与背景的对比度。该模块同样要对连接处的局部亮度提高问题进行 特殊考虑。 各主要功能的软件流程如图2 2 所示。 乱将 蔓翌望旦奎必量垫型三堡堂堕堡主笙奎箜三童些堕! 堕鬯堡些墨竺塑璺竺尘绝 打开一个索引文 件，读入相关的一 组图象文件信息 接收用户双击鼠标左键的消 息，判断点的逻辑位置，打 开并显示相应的图象文件 等待用户滚动消息 根据滚动的方向，判断下 一幅将进入和目前要离开 用户视野范围的图象 对要移出视野的图象 做保存判断，将其从 内存区释放 将要进入视野的图象 从磁盘中调入内存， 读取相关信息 刷新屏幕，此时显 示为新的用户视野 等待其他处理模 块功能的执行 ( a ) 线路平面图动态显示流程 图2 - 2 净化系统各主要功能的软件流程图 之翌塑些奎型皇丝型三堡兰堕堡主笙苎苎三童丝堕! 亘堕堡些墨堕竺璺堡尘塑 打开“调整” 功能模块 系统对内存图象阵列中的图 象进行检测，若m b a d j u s t c d 标志为f a l s e ，则进行调 整处理；为t r u e 时跳过 等待用户消息 用户滚动消息，保 存调整结果，同时 调用“动态显示模 块”调整内存图象 用户消息为 滚动否? ln 皇 转入其他功能 处理模块，保 存处理结果 ( b ) 线路平面圈圈象增强的流程 图2 2 净化系统备主要功能的软件流程图 韭查奎望查兰塑丝皇丝型三里堂堕婴主丝苎苎三兰些堕王堕鬯堡些墨竺塑璺堡坌塑 ( c ) 线路平面图局部处理流程 图2 - 2 净化系统各主要功能的软件流程图 型整望2 登塾篓兰丝型三堡堂堕堡主笙塞 苎三童垡堕兰亘里主墨竺 第三章线路平面图子系统 图象是净化子系统的处理对象，使用何种图象文件格式、以及如 何对内存中的图象文件进行管理，是净化处理的前提。如前所述，本 系统的特点是对多个图象进行连续地处理，由于计算机内存的限制以 及软件运行速度的要求，要求系统能够针对使用的图象格式，进行内 存中的图象的优化管理和使用，进而实现图象在屏幕上的显示，在此 基础上才可开展后期的工作。本章将对系统图象的获取、保存方式， 以及采用的“内存动态管理”方法进讨论分析。 线路平面图系统将完成线路平面图的数字化，获得图象净化系统 期望的数字图象。图象要求满足一定的幅面大小，能提供图象定位数 据( 即图象在全局坐标系中的位置) 和图象属性数据( 即图象的宽和 高) ，多幅图象显示时对用户而言是连续不问断的。 3 1 图象综述 图是描述客观事物的空间位置、几何形状和形态的一种手段。这 种手段比起语言、文字或数据来更具有直观、形象、易于理解的特 点，因而被广泛地采用。例如数学中的几何图形，生活中的照片、录 象、绘画等。工程技术中的图纸( 加工图、施工图、电路图、零件图 等) ，更是典型的采用图的形式( 静态的或动态的) 来描述事物的一 种可视手段。图的强大的描述功能和感染力是不言而喻的。本系统的 第步任务就是把原有的以纸张形式保存的线路图转换为计算机能够 韭查銮望茎兰垫垫兰塑塑三矍堂堕硕士论文第三章线路平面圈子系统 接受的形式存储在硬盘中，这样不仅有利于长期保存和管理大量图纸 数据，而且便于随时的查询。考虑到目前大部分的铁路线路平面图都 是图纸，为了充分利用这些现有资源，本系统采用了扫描现有图纸的 方法来实现数字化。由于纸张图纸本身存在缺陷，再加上扫描过程中 各种随机干扰噪声或者人为操作误差干扰的引入，往往早成图象图面 上有不需要的图象信息。为利于后期整个可视化系统的运行，必须开 发专门针对铁路线路平面图的图象净化子系统，这就是本课题的任 务。因为系统是通过计算机进行数字图象处理，所以实现从纸张到计 算机能够识别和处理的数字化图象的转换是过程的第一步。所有图象 处理的任务都是在数字化后的线路平面图基础上进行，处理功能的运 行前提便是获得图象数据，并在计算机上进行可视化的显示。 3 1 1 图象的表达方式 通常，计算机的图可以有两种表达方法：位图( 也叫光栅图或点 阵图) 和矢量图，用户可以使用其中任意一种或同时使用两种方法。 位图( 点阵) 是目前最常用的计算机图形表示方法，不仅实现起 来比较容易，而且可以用于各种图，位图表示就是将一幅图分成栅 格，将栅格每一个象素的颜色都单独记录下来。显然，位图区域中数 据点的位置确定了数据点表示的图形。位图表示的优点在于它可以记 录任何一个想得到的图形，图形的颜色也可以达到真彩色，当然它也 有其缺点，如图形的存储缺乏灵活性，处理和显示一个高分辨率的图 形需要几兆字节的存储空间，为弥补这一缺点，在位图图形的存储 中，可以采用一定的压缩算法。然而，压缩算法的性能好坏直接影响 到图形的显示速度和存储量。另外，图形一旦形成，便有了固定的分 辨率，各个象素点的位置和颜色值就已经确定，而且它们之间没有内 在的联系，这就导致了位图图形处理中的不灵活。尽管如此，由于位 图图形的表现力丰富而且直观，仍然获得了很广泛的应用。 矢量图则是用一系列的线和形来描述图形，也可能使用实心的或 者有等级深浅的色彩填充一些区域。然而，矢量图的色彩梯度和表现 力无论如何也不能与位图相比，位图可以与原始图形达到几乎完全一 致，而矢量图则经过了人工处理，很难做到这一点。然而，矢量图的 优点恰恰是位图所难以做到的，首先，矢量图形是用些描述语句