婁景藝，屈曉旭
（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）
摘 要： 針對短波低速通信條件下船舶遠程維修指導效率低下的問題，提出了一種新的基于PDF動態(tài)標注技術(shù)的遠程維修指導信息交互手段。基于Acrobat SDK實現(xiàn)了PDF文檔所見即所得方式的動態(tài)標注，其中重點解決了PDF文檔動態(tài)加載、基于Windows鉤子技術(shù)的PDF文檔鼠標響應處理、PDF標注動態(tài)添加中的坐標空間變換以及PDF標注文本的動態(tài)修改等問題。實際應用表明，通過應用PDF動態(tài)標注技術(shù)，實現(xiàn)了窄帶低速通信條件下的所見即所得的維修信息描述，為無視頻通信輔助條件下的高效遠程維修指導提供了一種可行手段。
關(guān)鍵詞： 便攜式文檔；動態(tài)標注；遠程維修；短波通信；所見即所得
0 引言
目前，短波通信因其應用范圍廣、抗毀性強、通信距離遠（可全球通信）、運行成本低等特點，仍是船舶遠洋航行中不可或缺的通信手段[1]。依托短波通信系統(tǒng)構(gòu)建基于計算機輔助協(xié)同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）[2-3]技術(shù)的遠程維修指導平臺，對于保持和提高船舶的持續(xù)運行能力具有顯著意義。但是，由于短波信道環(huán)境惡劣，短波通信帶寬一般較窄，在美國國防部最新提出的MIL-STD-188-141C短波組網(wǎng)協(xié)議中，最大信道帶寬也只有24 kHz[4]，通常僅能支持話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。現(xiàn)有基于語音的遠程維修指導方式主要存在以下兩方面問題：一是維修指導雙方難以快速準確地描述指示燈和故障模塊的位置、具體檢修的方法和位置、顯示的具體情況等輔助信息；二是通常短波語音通信可懂度低，維修指導過程開展困難。相比話音通信，短波低速數(shù)據(jù)通信的實時性稍差，但可靠性高。本文利用短波低速數(shù)據(jù)通信設(shè)備，基于PDF動態(tài)標注技術(shù)實現(xiàn)了一種窄帶通信條件下的所見即所得（What You See Is What You Get，WYSIWYG）的高效維修信息描述和傳遞手段。
1 平臺總體設(shè)計
維修指導過程中常見的信息包括故障位置、故障狀態(tài)、自檢結(jié)果、檢修位置等，在低通信帶寬條件下，將維修信息進行合理編碼能夠有效壓縮數(shù)據(jù)流量，提高遠程維修指導效率。維修信息編碼過程本質(zhì)上是一種信源編碼過程，平臺針對維修交互信息的特點，利用模型基壓縮編碼理論對維修交互信息進行高碼率壓縮，有效降低了信息碼率。模型基信源編碼的基本思想是在收發(fā)信者之間共享信源模型，將信源產(chǎn)生的原始消息建模為某種激勵信號作用于信源模型，并在通信時僅傳輸此激勵信號。理論研究表明，如果信源模型構(gòu)建合理，所提取的激勵信號碼率將遠低于原始消息碼率。
本系統(tǒng)中將維修現(xiàn)場的裝備相關(guān)信息（包括裝備內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、組成、連接關(guān)系、工作狀態(tài)、維修手冊、電路圖冊等）建模為信源模型，并從收發(fā)雙方圍繞裝備展開的故障描述和維修指導信息中提取激勵信號。具體設(shè)計中采用PDF文檔承載信源模型，收發(fā)雙方保存相同PDF文檔庫，利用PDF標注技術(shù)描述激勵信號，使維修指導雙方可以高效準確地描述各類維修信息，保證了低信道帶寬條件下的維修信息交互效率。
遠程維修指導平臺依托普遍安裝的陸地和船舶通信設(shè)施實現(xiàn)，由陸地部分和海上部分兩部分組成，如圖1所示。陸地部分和海上部分內(nèi)部都使用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)載體，二者之間經(jīng)短波無線網(wǎng)關(guān)控制器利用短波數(shù)字通信設(shè)備互連互通。
廠家客戶端和船舶客戶端采用一致的架構(gòu)設(shè)計。維修專家可利用PDF動態(tài)標注技術(shù)、實時VoIP語音和文本聊天等形式展開遠程維修指導。基于以太網(wǎng)絡(luò)的實時VoIP語音通信和文本聊天技術(shù)已很成熟，本文不再贅述。本文重點分析客戶端中PDF動態(tài)標注技術(shù)的實現(xiàn)，這也是平臺設(shè)計中的重點。
2 PDF動態(tài)標注技術(shù)的實現(xiàn)原理
便攜式文檔格式（PDF）是由Adobe公司于1993年開發(fā)出的一種文件格式，能容納電子表單、網(wǎng)頁、視頻、音頻、3D虛擬現(xiàn)實等豐富內(nèi)容，便于集成各種媒體格式的維修資料。根據(jù)PDF文檔規(guī)范，一個PDF文檔（document）是由若干對象（object）組成的，這些對象共同組成了文檔的頁面（pages）。PDF標注（annotation，也稱附注）是一類特殊的PDF對象。要對PDF標注進行動態(tài)控制，需要對PDF文檔的結(jié)構(gòu)進行解析。目前，PDF文檔的解析工具有多種，主流的解析工具包括Apache公司推出的開源工具PDFBox[5]、著名開源站點Sourceforge的iTEXT[6]以及Adobe公司提供的Acrobat SDK[7]。前兩者是開源項目，但功能有限，系統(tǒng)設(shè)計中選用Adobe SDK開發(fā)。
Acrobat SDK采用OLE對象（SDK中稱作IAC對象）實現(xiàn)Windows平臺下的PDF文檔顯控[8]。IAC對象分兩個層次，一是Application View（AV）層，使用該層控制PDF文檔的顯示，該層中包括AVDoc、AVPageView、AVMenu等對象，顯示的文檔形式與Acrobat reader顯示非常相似，用戶界面友好；二是Portable Document（PD）層，使用該層提供的對象可操作PDF文檔中的內(nèi)容，例如增減頁面、操作PDF文檔中的標注等。
需要指出的是，Acrobat SDK中PDF文檔在客戶程序中的顯示是以COM接口形式實現(xiàn)的，該接口提供了PDF文檔操作需要的基本功能，但是未提供鼠標響應事件。
實現(xiàn)PDF標注動態(tài)控制的過程須解決以下四個問題：（1）PDF文檔在用戶程序中的動態(tài)加載；（2）為顯示的PDF文檔增加鼠標響應等用戶交互能力；（3）以所見即所得的方式添加PDF標注；（4）實現(xiàn)PDF標注文本的動態(tài)修改功能。
3 PDF文檔動態(tài)加載的實現(xiàn)
PDF文檔的加載流程如下：
//創(chuàng)建AVDoc對象，用于控制PDF文檔的顯示
AVDoc=new AcroAVDocClass（）；
//打開PDF文檔，并將其關(guān)聯(lián)至tabPage
AVDoc.OpenInWindowEx（fileFullName，tp1.Handle.ToInt32（），..）；
//創(chuàng)建PDDoc對象，用于解析和控制PDF文檔的內(nèi)容
PDDoc=（AcroPDDoc）AVDoc.GetPDDoc（）；
//獲取當前文檔的AVPageView對象
AVPageView=（AcroAVPageView）AVDoc.GetAVPageView（）；
//導航至首頁
AVPageView.GoTo（0）；
本設(shè)計中采用多標簽頁形式顯示不同PDF文檔，即每個TabPage上顯示一個PDF文件。PDF文檔顯示到客戶端TabPage上后，在TabPage的大小發(fā)生變化時，其上顯示的PDF文檔不會自動同步變化，需要程序自行控制。控制方法是在TabPage所在的TabControl的Resize事件中重設(shè)PDF視窗大小和位置，具體方法是首先使用系統(tǒng)API函數(shù)GetWindow獲取PDF顯示視窗句柄，然后利用系統(tǒng)API函數(shù)SetWindowPos將該窗體調(diào)整至合適位置。
4 基于Windows鉤子技術(shù)的PDF文檔鼠標響應處理
在PDF標注編輯過程中，采用鼠標指定標注所在位置的所見即所得的方法是最高效的方法，但Acrobat SDK未提供鼠標響應機制。為此，本系統(tǒng)設(shè)計中利用Windows的全局鼠標鉤子機制為PDF文檔視窗加入了鼠標事件。
鉤子（Hook）是一種Windows消息處理機制，用戶程序可在鉤子上掛載自定義函數(shù)監(jiān)視指定窗口的某種消息，被監(jiān)視的窗口可以是其他線程創(chuàng)建的[9]。當指定消息發(fā)出時，在沒有到達目的窗口前，鉤子程序可以先捕獲該消息。圖2為鼠標鉤子的實現(xiàn)流程圖。
設(shè)計MouseHook類掛載和卸載鼠標鉤子，捕獲Windows標準鼠標事件及觸發(fā)自定義的.Net事件OnMouseActivity。PDF顯示窗口類訂閱.Net事件響應鼠標事件。在鉤子回調(diào)函數(shù)中，若滿足以下條件，則觸發(fā)鼠標事件MouseHookProc：（1）顯示PDF的窗體可見且處于最上層；（2）鼠標位置在PDF窗體區(qū)域范圍內(nèi)。
鉤子的掛載和卸載采用Windows API函數(shù)SetWindowsHookEx和UnhookWindowsHookEx實現(xiàn)。
5 PDF標注動態(tài)操作中不同坐標系間映射的實現(xiàn)
在對PDF標注進行添加、選中、修改過程中，需要解決屏幕坐標系、用戶坐標系及設(shè)備坐標系間的相互映射問題。
在Windows操作系統(tǒng)中，屏幕坐標系以屏幕左上角為原點，向右、向下分別為橫縱兩個坐標軸的正方向。鼠標鉤子返回的鼠標位置就是相對于此坐標系的。而用戶坐標系（User Space）和設(shè)備坐標系（Device Space）是PDF文檔操作中兩個重要概念。用戶坐標系如圖3所示，缺省的用戶坐標系為每次頁面剛剛加載時的坐標系。該坐標系的原點位于該頁媒體框（Media Box）的左下角。圖中的Crop Box為PDF文件顯示的區(qū)域，而Media Box則包含了PDF文件四周的灰色邊框。缺省的用戶坐標系的單位為1/72英寸。在Acrobat SDK中，PD層的各種對象均使用該坐標系，這是因為該坐標系與實現(xiàn)無關(guān)。
設(shè)備坐標系是PDF文件顯示于屏幕上時使用的坐標系，其單位為像素，坐標軸取向與屏幕坐標軸取向相同，如圖4所示。與用戶坐標系不同，該坐標系用于PDF文件的顯示。設(shè)備坐標系的原點位于Crop Box的左上角。眾所周知，隨著PDF文檔的縮放，該區(qū)域的位置在屏幕上是變化的。
作為PDF文檔的一種對象，PDF標注的位置和大小采用的坐標系為用戶坐標系。由上可見，為了以一種所見即所得的方式添加標注，即將標注添加到鼠標指示的PDF文檔位置上，必須將鼠標位置坐標（屏幕坐標系）映射到用戶坐標系上，但Acrobat SDK未提供該映射接口，而是提供了設(shè)備坐標系到用戶坐標系的接口。為了實現(xiàn)所見即所得的鼠標操作，需執(zhí)行如下步驟：
（1）獲取鼠標在屏幕上的位置Pm（屏幕坐標系）；
（2）將Pm映射到設(shè)備坐標系Pd；
（3）將Pd映射到用戶坐標系Pu。
Pm到Pd的映射可采用以下公式實現(xiàn)：
Pd.x=Pm.X-PdfWindowRect.Left+PdfWindowDeviceRect.Left
Pd.y=Pm.Y-PdfWindowRect.Top+PdfWindowDeviceRect.Top
其中，PdfWindowRect為PDF顯示窗體中Media Box的矩形區(qū)域（采用屏幕坐標系），可直接根據(jù)Tabpage窗體客戶區(qū)矩形獲得；PdfWindowDeviceRect為PDF窗體Crop Box的矩形區(qū)域（采用用戶坐標系），可利用AVPageView.GetAperture（）函數(shù)獲得。Pd到Pu的映射可直接調(diào)用AVPageView.DevicePointToPage（）函數(shù)實現(xiàn)。
6 PDF標注文本的動態(tài)修改
PDF標注在添加到PDF頁面上時，可以指定其對應的文本內(nèi)容。但與Acrobat Reader中不同，該內(nèi)容可以閱覽，但不支持現(xiàn)場編輯。雖然如此，Acrobat SDK預留了PDF標注文本的設(shè)置接口，即AcroPDAnnot對象的SetContents和GetContents函數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計中，使用此接口解決該問題。用戶在指定文本框中輸入的文本內(nèi)容自動添加到PDF文件上選中的標注上。PDF文檔標注本身并無選中與否的屬性。為此，系統(tǒng)設(shè)計中為文檔標注加入了選中屬性，方法是當鼠標點擊PDF文檔時，自動判定當前位置是否有PDF標注，如果有，則在程序中記錄該標注作為當前選中標注，同時更改該標注的顏色以突出顯示。
7 平臺應用效果及分析
圖5為應用基于PDF動態(tài)標注技術(shù)的遠程維修指導平臺的用戶界面示例。維修船員首先利用文本聊天和表單對故障進行了描述。陸地工程師根據(jù)故障現(xiàn)象，打開設(shè)備圖冊（一個PDF文件），并在“電源穩(wěn)壓單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖”頁面的電源輸出連接頭處添加標注（圖中左上方標注），指導船員檢查連接器處是否損壞。船員客戶端會自動同步打開同一PDF文件，并同步添加相同標注。船員檢查后發(fā)現(xiàn)電源板中一個電解電容器損壞，故障排查完成。
由于在陸/船雙方保存了相同的PDF文件資料庫，上述過程中僅需傳遞PDF文件編號、標注頁碼、標注內(nèi)容等信息，需要交互的信息量大大壓縮，且故障位置、檢修位置、維修手冊翻閱等均以所見即所得的形式實現(xiàn)，提高了遠程指導效率。由于PDF文件不僅可以存儲裝備使用說明書、技術(shù)說明書、檢修手冊、實物照片等靜態(tài)信息，還可以存儲視頻、虛擬實境等動態(tài)對象，資源豐富，能夠保證遠程維修指導的順利開展。
利用該平臺進行維修指導時，陸地和海上部分之間的交互信息中既包含了故障現(xiàn)象，又包含了故障檢測、分析和維修流程，因此可以作為設(shè)備維修案例庫使用，用于類似故障維修的參考或設(shè)備維修教學中的生動素材。
8 結(jié)論
由于短波裝備在各類軍民用船只上安裝廣泛，且各種維修相關(guān)的紙質(zhì)或電子版資料、照片甚至視頻信息均可方便地集成于PDF文檔中，平臺的文檔資料資源可以得到充分保證，因此平臺的實際應用前景廣闊。該方法亦可推廣應用于帶寬受限的基于衛(wèi)星通信的遠程維修指導平臺，由于需要的通信帶寬窄，成本低，可作為一種低成本的常規(guī)遠程維修指導手段。
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