CGM智能图形在IETM中的应用研究
引 言
交互式电子技术手册( Interactive Electronic Technical Manual，IETM) 是在科技发展的推动和信息化战争的军事需求下产生与发展起来的装备保障信息化新技术，它通过灵活的交互和多方位的多媒体展示，显著提高了装备维修、人员训练及技术资料管理的效益与效率，得到了广泛的应用。我国于 2009 年编制并发布了GB /T 24463 -2009 和GJB 6600-2009标准， 用以规范IETM的创作与应用。为充分体现IETM 的技术优势，在IETM的创作与应用中， 针对飞机、舰船等大型装备技术资料的技术插图，无论是欧洲标准S1000D、美军标 HDBK-511，还是我国的国标、军标，均推荐使用CGM ( Computer Graphics Metafile，计算机图形元文件) 智能矢量图形，CGM 是目前最成熟的智能矢量图形格式，其强大的功能主要体现在显示、导航、查询和信息提取等方面。
(1) 显示：CGM 是矢量图形，使用线段和曲线描述图像，通过图形计算方法进行显示控制。具有文件体积小、图形表现能力强，且缩放时图形不会产生锯齿等特点，是表现装备原理图、结构图、示意图的最佳手段。在图形控制上，可以方便地进行旋转、移动、镜像等操作。
(2) 导航：CGM图形可以实现热点交互功能。通过专业编辑工具或编程可以将图形中的对象、特定区域定义为可交互的热区或热物，通过热点操作实现图形到其它数据的超级链接，从而导航到图形中的不同区域、其它图像、文本等。另外，利用CGM 图形的数据访问接口，能够控制图形对象的区别显示，从而通过编程控制外部数据到图形对象的导航功能， 实现CGM 内部对象与外部数据之间的双向交互控制的导航功能。
(3) 信息查询与提取: CGM 图形可以集成与显示
无关的非图形信息，通过图形访问接口，可以利用关键词或全文索引对图形数据进行查找，提取对应的图形对象，实现信息查询功能。
1 CGM 技术研究
CGM是美国国家标准化委员会( ANSI)公布的一项有关计算机图形文件格式的国家标准，即ISO /IEC 8632: 1987 。随着Internet 的发展，基于Web的IETM 成为发展的趋势， 为了符合W3C 对可扩展图形的要求，CGM Open发布了WebCGM 规范，它在 CGM规范的基础上进行了扩展，以支持 Web 导航的要求。1999 年WebCGM V1.0 获得W3C认可， 2008年WebCGM V2.1 标准公布，新的标准定义了图形对象的访问接口DOM( API)，以及 XML 伴随文件( XCF) 结构的规范， 新规范的制定使得用户在访问图形对象方面有了统一的方法 。
1.1 CGM 文件格式
CGM 由与设备无关的图形语法和词法元素定义组成，主要包括元文件描述元素、画面描述元素、控制元素等八类，CGM 标准分别定义了各类元素的语义和语法，以完成图形的描述工作。CGM 文件有纯文本和二进制两种格式，纯文本格式文件可读性强，易于交换， 但显示与操作效率较低，二进制格式可读性差，但执行效率高，特别是在网络环境下具有很大的优势，WebCGM采用的就是二进制格式。
WebCGM元文件由元文件开始符( BEGIN METAFILE)、元文件描述符( Metafile Descriptor) 、图形( Picture) 和元文件结束符( END METAFILE) 四部分组成。图形包括图形开始符、图形描述符、图形主体和图形结束符。图形的主体包含图形控制元素、基本元素和 属性元素，以及智能对象( Intelligent Objects) 等多组图形数据。每组图形数据中的显示属性可以通过组的唯一标识与访问接口进行访问控制。在WebCGM 中，这些组被称为应用结构 ( Application Structures，APS) 。 WebCGM的APS包括grobject( 图形对象)、layer( 层) 、 para( 段落) 和 subpara( 子段落)等 4 种类型，在4种APS中，除了“层 ”之外，其它的都可以作为导航的“源 ”和“目标”。
1.2 CGM 伴随文件
在IETM创作过程中，为保证数据的独立性和可重用性，一般要求图形信息与非图 形信息 ( 元数据)分离，各自独立存储。CGM 伴随文件( XML Companion File，XCF) 正是为满足这种要求而产生的，它是对WebCGM 图形文件的元数据进行扩展，主要完成以下工作：
(1) 将应用程序元数据(如零件件号) 绑定到WebCGM 图形中的某个应用结构( APS) ；
(2) 利用 WebCGM 数据访问接口对图形元数据信息进行更新；
(3) 实现对 WebCGM 图形中 APS 的 ID 号、类型及其它属性的枚举。
CGM 图形文件在加载到内存后，将以对象树的形式存在，如图1所示， 利用WebDOM ( 文档对象模型) 的访问接口对图形应用伴随文件( XCF) 后，内存中对象树的结构如图 2 所示。从图 2中可以看出，G1 对象的提示( screentip)被更新且添加了用户自定义元素 wiring: data 。
1.3 图形显示与操纵
在基于 Web 的 IETM 中，CGM 图形显示与操纵需要图形阅读插件的支持，为访问 CGM 图形的对象与结点，自WebCGM V2.0 起便定义了数据访问接口API，为对象的访问能力与方法作了统一规范，用以访问与控制图形。CGM 阅读器的设计也要遵守规范，只要在客户端安装浏览器的 CGM 阅读插件，用户便可以按照统一的方法操纵图形。当前主流的 CGM 阅读器提供方如Larson、SDI、ITEDO 等，在阅读器设计上并没有做到完全支持 WebCGM 规范，致使在图形操纵上接口各异， 对图形的访问能力也各不相同，给CGM 用户带来了很多不便。
通过阅读器的访问接口，可以编辑 APS的属性，从而改变图形的显示方式和效果。智能图形的阅读过程就是智能图形阅读器、智能图形外部元数据以及用户应用程序之间交互的过程，其工作原理如图 3 所示。
过程解释如下:
步骤 1 WebCGM 阅读器加载并解析 CGM 文件;
步骤 2 将文件加载到内存 DOM 树中;
步骤 3 加载 WebCGM 元数据及其应用程序特殊元数据;
步骤 4 将元数据应用到 DOM 树中 ， 这时外部应用程序就可以通过脚本绑定功能， 将附加格式和行为应用于 DOM 中 ;
步骤 5 WebCGM 浏览器再将 DOM 应用于内存中的 CGM 文件;
步骤 6 在浏览器窗口 中渲染图形 。 此后外部应用程序就可以操纵图形显示样式以及 WebCGM 阅读器的行为 。
1.4 基于 XCF 和 DOM 的图形显示模型
商用智能图形编辑软件，例如PTC公司的Arbortext IsoDraw，可以实现各种工程数据的转换、图形热点的添加、链接的定义以及其他元数据的编辑，但是这些元数据信息都是与图形一体化存储，固化在图形数据中。因此存在以下缺点:
(1) 不利于应用程序数据信息的后期维护，如果要对应用程序数据信息进行修改就必须使用图形编辑软件。
(2) 智能图形不能重用，一组应用程序数据信息只能对应一个图形。
(3) 用户数据信息扩展是有限的，无法满足智能图形的复杂要求，例如智能图形应用程序有时要求链接到维修手册或者航材在线请领系统等 。
因此，利用 CGM 伴随文件( XCF) 实现图形信息与非图形信息的分离存储，通过CGM 对象访问接口DOM 对图形应用伴随文件，并根据显示和热点响应需要进行程序控制，可以有效地提高智能图形编著的自动化水平和交互效果。CGM 图形显示模型如图 4所示 。
2 CGM在IETM中的应用
2.1 CGM 操作流程
在IETM 创作过程中，CGM 图形的操作流程主要包括基本图形生成、 智能对象创建 、 非图形信息编著以及图形发布与展示等步骤，处理流程如图5 所示 。
通过扫描、重绘等方式将图形电子化，对非 CGM格式图形使用商用图形软件将图形转换为 CGM 格式，并进行编辑处理工作，添加热区或热对象，形成智能图形；然后使用SGML /XML 编辑器在图形与元数据之间建立链接关系；最后，编程实现分离存储的图形与图形元数据的综合显示，为用户提供所需的交互功能，以指导维修作业。
2.2 智能图形编著
智能图形编著过程是对基本的 CGM 图形添加智能信息的过程， 图形的智能主要体现在图形具有热区功能，能够响应用户事件并能够进行链接跳转。因此智能图形编著过程实质上就是对图形添加热区 、 链接， 以及对用户应用程序特定信息等元数据进行编辑的过程。
采用 CorelDRAW 和 AutoCAD 转换生成的 CGM图形是静态的，非智能的，要添加交互性需要使用CGM 编辑软件。根据CGM 图形显示模型，采用商用智能图形编辑软件( Arbortext IsoDraw 等) ，设置图形热区、热对象等智能对象，对图形的非图形信息以伴随文件的方式在外部编辑为中立格式存储。
2.3 智能图形的非图形信息
在 IETM 创作中，技术插图除了图形本身的信息，还包括图注标号、图注说明等非图形信息，这些信息只有在特定的上下文环境中才有显示和操作要求。在交互方式上，一般通过点击热区或热物， 链接到图注标号对应的位置图、部组件列表、拆装过程演示、当前图形中的某个区域等相关内容。在技术实现上，CGM 图形的可点击区域或对象通过添加层被设置为热区，热区信息、图注信息、链接对象信等与图形显示无关的信息以 XML 中立格式存储在图形外部，以CGM伴随文件的方式存在。伴随文件中的非图形信息必须与CGM 图形中的热区、热对象相关联，才能实现两者的双向交互。下面是对" hotspot. cgm " 智能图形定义grobject 组的非图形信息的伴随文件部分代码:
＜ ? xml version = " 1.0" encoding = " UTF-8" ? ＞
＜ webcgm version = " 2.2 " filename = " hotspot． cgm"xmlns = " http: / /www． cgmopen． org /schema /webcgm /" xmlns: ipc = " http: / /www.jl8.org" ＞
＜ grobject apsid = " _11" screentip = " wingnut-400A" ＞
＜ ipc: data name = " 螺母" PartNumber = " JL8-6110-1203"quantity = " 1 " material = " 标准件" link = " DMC-JL8-A-07-00-00P7-00A-300A-A" remark = " " / ＞
＜ /grobject ＞
...
＜ grobject apsid = " id2" screentip = " bolt-assembly-100A" ＞
＜ /grobject ＞
＜ /webcgm ＞
2.4 发布与显示
智能图形及其关联信息一般发布为 Web 形式，并集成到交互式电子手册中。发布时， 发布程序根据要提交的CGM 图形信息从文件系统或内容管理系统中抽取出 XML 或 SGML 内容， 以电子形式为不同使用人员生成具有个性布局和格式设置质量的组合内容 。 发布完成的 CGM 图形在 Web 方式浏览时，要用专用浏览插件来解析智能图形。要实现复杂的交互功能，比如智能图形到航材请领 /订货系统的链接、智能图形与部件拆装的交互等，还需要根据浏览器插件提供的 API 自行编程实现。
3 应用实例
某型飞机的技术资料包含数千幅图形，制造方交付时仅提供纸质资料，在 IETM 创作过程中，技术插图采用了CGM智能图形格式，在技术方案上采取非图形信息独立存储、 CGM 图层与XML伴随文件相互配合的方式，通过DOM 接口实时控制，多方位的展示了某型飞机中的技术插图，显示效果好，交互功能强。
3.1 图形元数据文件编辑
通过自主设计图形元数据编辑系统( 或使用XML编辑软件)，将图形或交互控制的信息，包括编号、标题、图注、对象标识等内容，以 XML 格式存储为伴随文件，伴随文件与CGM 图形相对独立存储，并将伴随文件中的内容与CGM图形的热区、热对象通过标识或名称进行关联。
3.2 程序控制
项目采用B /S 架构，利用VS 2005开发平台和Isoview 6．0 阅读器， 实现了CGM 图形的交互浏览。用户在客户端操作图形时，用户请求通过应用服务器读取XCF信息，根据系统设定的浏览模式及交互要求进行处理，通过客户端的 DOM 操作或者页面刷新实现图形与内容的交互。下段程序为设置用户点击事件响应的客户端脚本。响应点击事件，用于得到被点击对象的名称，再与 XCF 文件关联：
function InstallEventListener( ) {
try{
/ /根据 id 行到 CGM 文件
cgmDoc = document． getElementById( " ivx" ) ． getWebCGMDocument( ) ;
/ /设定 click 事件
cgmDoc． addEventListener(" click" ， handleClick) ; }
catch( e) { alert( e． description) ; }
}
以下函数用于响应图形的点击事件， 得到被点击的热区或对象的名称与 ID 。
function handleClick( evt) {
/ /根据对象的名字得到 APS
strName = evt． target． getAppStructureAttr( 'name') ;
strId = evt． target． apsid;
/ /高亮显示
document． ivx． HighlightHotspot(0，
curObjName， 0， 0) ;
try{
/ /根据获取的名字， 调用函数，
/ /用以处理 XCF 信息页面信息
parent． table．showListCom( strObjName) ; }
catch( e) { alert( e.description) ; }
}
3.3 实现效果
项目在 IETM 阅读器中实现了 CGM 智能图形与相关信息之间的双向交互， 如图6所示 。
图形与相关信息的关联交互体现在如下几个方面:
(1) 图形与零部件列表之间的双向链接功能。图形区中的某个组件(件号)与零部件列表中相对应的零部件信息相互关联。
(2) 图形对象链接到同一图形的另一位置或对象。
(3) 图形链接到其它图形或数据，链接是双向的，当阅读完被引用的图形或数据后，用户应能返回。
(4) 图形所包含对象的查询与交互。除了多方位的交互，图形的缩放、移动、旋转、鹰眼窗口等功能也为用户提供了很好的体验。
4 结束语
交互式电子手册及CGM智能图形技术的发展十分迅速，CGM支持软件大量的出现， 对智能图形的研究和应用越来越广泛深入。WebCGM本身的应用范围涉及Web的各个方面，如图形信息的智能化搜索、地理信息系统与导航、基于Web的图形展示、 基于Web 的信息发布等。随着研究工作的进一步深入和开展，大量更新、更好的技术构想和实现机制还将会不断涌现。
