李勇
?。ㄖ袊嗣窠夥跑?2941部隊96分隊，遼寧 葫蘆島 125001）
摘要：GIS（地理信息系統(tǒng)）是個復雜的系統(tǒng),，在主要功能一致的前提下,如何為用戶提供專用的系統(tǒng)是迫切需要解決的問題,。腳本技術以其靈活的可定制性和可擴展性的優(yōu)勢解決了此問題。研究了基于腳本引擎的開發(fā)技術,，分析了基于腳本引擎的GIS結構,，設計并實現(xiàn)了腳本引擎。
關鍵詞：3d GIS,；腳本引擎,；Lub；狀態(tài)轉換,；虛擬機API
中圖分類號：TP319文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.007
引用格式：李勇.腳本引擎在三維GIS系統(tǒng)中的設計與實現(xiàn)［J］.微型機與應用,，2017,36（10）：23-25，29.
0引言
隨著計算機技術的不斷發(fā)展,，計算機編程語言和技術都發(fā)生了很大變化,。在傳統(tǒng)的工程應用系統(tǒng)的設計中，軟件往往在實現(xiàn)之前用戶需求就發(fā)生變更,。因此,，人們迫切需要開發(fā)出可定制化、可用戶化和可擴展的軟件系統(tǒng)來減少需求變更所帶來的開發(fā)和維護成本［1］,。
使用基于混合腳本編程的方法是實現(xiàn)擴展靈活的可定制軟件系統(tǒng)的有效方法,。近年來，腳本語言憑借其強大的描述能力和靈活的語法結構,，為應用程序提供腳本支持，從而進行混合語言開發(fā)被,，成為實現(xiàn)可擴展和可定制的有效方案［2］,。目前，腳本語言已經廣泛應用于計算機軟件領域,，如JavaScrip應用于Web網(wǎng)頁設計,、微軟的VBA用于Office應用的自動化以及開源領域中Ruby、Python,、Jython等腳本語言［3］,。
本文主要關注在三維GIS系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)可定制,、可擴展功能的腳本引擎,，來滿足用戶的多元化需求。
1腳本引擎關鍵技術分析
1.1腳本語言簡介
腳本語言是為了縮短傳統(tǒng)的編寫-編譯-鏈接-運行過程而創(chuàng)建的計算機編程語言，用來控制應用程序,，具有良好的快速開發(fā)能力和與其他語言編寫的程序組件之間通信的功能［4］,。很多腳本語言用來執(zhí)行一次性任務，尤其是系統(tǒng)管理方面,，它可以把服務組件粘合起來,，廣泛用于GUI創(chuàng)建或者命令行。腳本通常以文本保存,，只在被調用時進行解釋或編譯,經常把腳本和其他低級編程語言一起使用,，各自發(fā)揮優(yōu)勢解決特定問題［5］。
1.2腳本引擎技術分析
在腳本運行過程中,，腳本引擎先將腳本解釋為中間指令,，再執(zhí)行中間指令，所以腳本引擎既是腳本解釋器又是腳本執(zhí)行器［6］,。此外,，嵌入腳本引擎、支持腳本語言的應用程序稱為主程序［7］,。腳本引擎,、腳本程序與主程序之間的關系如圖1所示。腳本程序是用戶事先編寫完的字符串,，可以保存到文本文件或特定格式文件中,，能被腳本引擎識別；當需要執(zhí)行某個腳本程序時,，主程序通過調用腳本引擎API來啟動腳本引擎和通知腳本引擎執(zhí)行此腳本程序,；腳本引擎加載、解釋,、
運行腳本程序,，并將結果反饋給主程序?？梢?，腳本引擎是主程序和腳本程序的紐帶。
2腳本引擎在三維GIS系統(tǒng)中的結構分析
三維GIS是模擬,、表示,、管理、分析客觀世界中的三維空間實體及其相關信息的計算機系統(tǒng),，能為管理和決策提供更加直接和真實的目標和研究對象,。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可移植性，在設計系統(tǒng)結構時采用先進的NTIER架構,。系統(tǒng)軟件部分采用面向對象的設計方法以及基于組件設計的理念和技術,，從縱向的架構層面上,，該系統(tǒng)提供三大層面、若干小層面的抽象,、映射,、實現(xiàn)和封裝；應用層對各子系統(tǒng)的用戶業(yè)務處理邏輯進行實現(xiàn)和封裝,，數(shù)據(jù)庫層是采用多種形式結構數(shù)據(jù)庫的總體封裝,，提供本地及遠程多種數(shù)據(jù)連接方式，為應用層提供透明的數(shù)據(jù)存儲和訪問功能,。GIS系統(tǒng)層次結構如圖2所示,。
如圖2所示，該系統(tǒng)基于空間GIS數(shù)據(jù)庫和各類專用數(shù)據(jù)庫,，運用VR技術,，通過使用三維引擎及腳本引擎，實現(xiàn)三維地景瀏覽,、空間定位查看,、空間量測等豐富功能。腳本引擎模塊處于中間層,，向下管理著各種專用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),；同層中，可調用三維引擎模塊,，從而控制三維場景和模型的顯示方式,；向上提供本模塊的調用接口，供應用層調用,，完成資源的控制,。
3腳本引擎總體結構設計
腳本引擎模塊結構為上下兩層。上層能識別腳本語言,，并將腳本程序編譯成字節(jié)碼指令,；下層執(zhí)行字節(jié)碼指令。上下層的分離可以提高腳本引擎的可移植性和可擴展性,。如圖3所示,，上層編譯器負責將腳本源程序的字節(jié)流轉換成指令序列，對源程序進行詞法,、語法等進行邏輯分析，當出現(xiàn)錯誤時給出錯誤圖3腳本引擎體系結構信息和定位錯位位置,；虛擬機負責指令流的解釋執(zhí)行,；API是虛擬機與主程序交互的橋梁，實現(xiàn)兩者之間互相控制,、通信,。
4腳本引擎設計與實現(xiàn)
本腳本引擎面向的腳本語言為自主設計的語言Lub。Lub語法符合LL（1）型文法，可以采用自頂向下遞歸法進行語法解析,。
4.1詞法分析器設計與實現(xiàn)
Lub腳本語言的詞法標記有四類：標識符,、關鍵字、常量,、特殊符號,。標識符用來標識腳本程序中的變量、數(shù)組和函數(shù),，由字母,、數(shù)字和下劃線組成，且標識符首字母不能是數(shù)字,；關鍵字是能夠被詞法分析器識別的具有特定含義的字符串,，如定義變量的關鍵字、運算符號,、判斷符號,、控制符號等；常量指數(shù)字和字符串,；特殊符號包含注釋符,、轉義符。
詞法分析器負責將輸入的源程序按照構詞規(guī)則分解成一系列單詞符號,，功能可細分如下：輸入,、預處理功能、超前搜索功能,、狀態(tài)轉換功能,。詞法分析器工作的第一步是輸入源程序文本，為了更好地對單詞符號識別,，對輸入串先進行預處理,，主要是過濾掉空格、注釋,、換行符等,；在詞法分析過程中，為了能確定詞性,，需要超前搜索若干字符,；詞法分析器使用狀態(tài)轉換圖來識別單詞符號。
4.1.1狀態(tài)轉換圖實現(xiàn)
狀態(tài)轉換圖是一張有限方向圖,。在狀態(tài)轉換圖中,，有一個初態(tài)，至少一個終態(tài),。輸入的字符信息進入狀態(tài)轉換圖的初始狀態(tài),，最終會經過一條路徑到達某個終結狀態(tài),，并得到其識別的字符串。下面給出注釋的狀態(tài)轉換圖,，注釋格式：/* 注釋部分*/,，轉換圖如圖4所示。
每讀入一個字符,，如果字符是“/”,就說明后面的部分可能是注釋,，再看下一個輸入字符，如果是“*”, 就是注釋中的“ /*”,，那么后面的部分就是注釋部分,，然后再用相同的方法找出"*/"，對應的邏輯實現(xiàn)代碼如下：
while((ch=getchar())!=EOF)
switch(state)
case 1 :if ch=="/",state=2,break;
case 2:if ch=="*",state=3
else state=1;break;
case 3:if ch=="*",state=4;
else state=3;break;
case 4: if ch=="/",state=5;
else state=3;break;
case 5:……
4.1.2待分析的詞法及類別碼
腳本引擎支持16個關鍵字,、5種控制語句和常見運算符,，每個單詞符號都有對應的類別碼，見表1,。
表1主要關鍵字對應的類別碼
詞法分析過程中會分析所有單詞,，并獲得其類別碼，其實現(xiàn)函數(shù)定義如下：
Void gettypecode(INT char* string ,OUT BYTE syn,OUT char*toke);
輸入：待分析的源程序字符串,。
輸出：syn為單詞類別碼,，token為存放的單詞本身字符串。
4.2語法分析器設計與實現(xiàn)
語法分析器的作用是將詞法分析輸出的單詞序列作為輸入,，根據(jù)語言的文法規(guī)則,，生成中間代碼，語法分析遇到錯誤時會定位錯誤位置,，以便糾錯,。本文采用遞歸下降法實現(xiàn)語法分析。
遞歸下降分析法要求是LL(1)文法,，其基本思想是對文法中的每個非終結符編寫一個函數(shù),，再利用函數(shù)之間的遞歸調用模擬語法樹自上而下的構造過程，具體實現(xiàn)方法概述如下：
?。?）每個非終結符對應一個解析函數(shù),；
（2）產生式右側為該產生式左側非終結符所對應解析函數(shù)的“函數(shù)體”,；
?。?）產生式右側終結符對應從輸入串中“消耗”該終結符的操作；
?。?）產生式中的‘|’對應函數(shù)體中的“ifelse”語句,。
對應的邏輯實現(xiàn)主要結構和函數(shù)如下：
typedef struct LEX
{
Token read;
struct LEX *next;
size_t line;
}MYLEX;//詞法分析得到的所有字符串集合
MYLEX* Read_file(MYLEX* current);
MYLEX* Advance(MYLEX* current); //單詞
int match(Token read ,Token aim);
int Execute_statement(void) //執(zhí)行語句
4.3虛擬機及接口的設計與實現(xiàn)
虛擬機模擬運行環(huán)境，執(zhí)行字節(jié)碼,，并對腳本得出相應的結果,。本文的虛擬機是堆棧結構的，包括模擬處理器,、寄存器和堆棧結構,。作為三維顯示系統(tǒng)的一個輔助功能模塊，虛擬機需要與三維顯示系統(tǒng)相互調用,，它是腳本引擎與三維顯示系統(tǒng)之間交互的平臺,。其功能包括:初始化主要的數(shù)據(jù)結構；指令系統(tǒng)設計,；虛擬機API設計,。
4.3.1虛擬機主要結構
為了模擬CPU、寄存器等真實的運行環(huán)境,，虛擬機必須包含與這些單元對應的數(shù)據(jù)結構,，并需要指令執(zhí)行所需要的結構。
指令流：獲取從語法分析器輸出的中間碼,，是需要執(zhí)行指令的集合,。
程序計數(shù)器pc：指向下一個需要執(zhí)行指令的指針。
堆棧：存放重要數(shù)據(jù)的存放地址,，支持系統(tǒng)調用,。
4.3.2虛擬機指令系統(tǒng)
虛擬機指令系統(tǒng)是以堆棧為中心設計的，避免了傳統(tǒng)的以寄存器為中心的限制,。與硬件平臺的無關性使得虛擬機具有良好的跨平臺性,。
每條指令以字節(jié)為單位，模擬處理器執(zhí)行指令,。不同的指令對應的操作數(shù)個數(shù)也不同,。獲取字節(jié)后，根據(jù)字節(jié)碼確定其是指令還是數(shù)據(jù),，若是指令則判斷對應的操作數(shù)個數(shù),。由于采用堆棧方式，指令需要的參數(shù)都存放在堆棧中,。主要的指令如下：
POP_LUB：堆棧棧頂出棧指令,，沒有操作數(shù)。
PUSH_LUB：數(shù)據(jù)進棧指令,，有1個操作數(shù),。
GETNUM_LUB:為參數(shù)分配內存空間指令，有1個操作數(shù),。
CALL_LUB：函數(shù)調用指令,。
RET_LUB:函數(shù)返回指令。
根據(jù)功能,，指令可分為三類：數(shù)據(jù)傳輸指令,，包括進棧,、出棧、變量內存空間分配等指令,；運算指令,，包括算術運算、邏輯運算和字符串運算指令,；轉移指令,，包括函數(shù)調用、返回,、條件轉移等指令,。
4.3.3腳本引擎API設計與實現(xiàn)
腳本引擎API是腳本引擎與主程序交互的窗口，負責兩者之間的通信,。在三維顯示系統(tǒng)運行過程中,，腳本引擎以動態(tài)庫的形式加載到主程序中，腳本引擎可以調用主程序中的全局變量,、函數(shù),，實現(xiàn)對實例的訪問和調用。按照功能可將API劃分為三類,。
?。?）基礎信息管理類
用于進行全系統(tǒng)的基礎信息的配置維護，包括二維GIS數(shù)據(jù)的轉換和管理模塊,，三維地景數(shù)據(jù)的轉換,、管理和設置，主要API如下：
void CreateEntity (Str Name,Str Type,Str 2DFileName,Str 3DFileName);//為GIS創(chuàng)建物體
void loadearth(FLOAT［3］ Pos, FLOAT［3］ Pose);
//加載某個地景
void PlayCartoon(STR entityName, STR actionName, BOOL bRecycle);//加載視頻流
voidEntityStartMove (STR Name, STR AirwayName,FLOAT Speed);//模擬運動物體
?。?）場景模擬類
用于模擬真實的世界場景,，包括氣象天氣的模擬。主要API如下：
Void Rain_SetPara(INT RainAccount,DWORD UpColor,DWORD DownColor,INT RainCourse,INT RainAlpha);//模擬下雨效果
VoidSunshine_SetPara (FLOAT NorthAngle, FLOAT EastAngle);//模擬太陽效果
VOID SetCameraPosAndPose (FLOAT［3］Pos, FLOAT［3］
Pose);//設置相機參數(shù),，模擬從某個位置和角度觀察世界的效果,。
(3)方案管理類
主要用于制作有特定需求的顯示方案，主要API如下：
bool SkyLine_Create(STR Name);
void SkyLine_AddPoint(STR Name,FLOAT［3］ Pos,INT time);
void CurveCreate (STR Name,INT Width,INT Color);
5結論
為了提升GIS系統(tǒng)的可定制性,，本文提出了基于腳本引擎的GIS系統(tǒng)設計思路,，利用腳本技術將各個基礎功能模塊有效地組合起來，為用戶提供了二次開發(fā)的功能,。
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