Qt: 实现类似示波器实时绘图的最佳方法

Question

Qt: 实现类似示波器实时绘图的最佳方法

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我正在为Qt开发一个Gui模块，用于绘制实时测量数据，类似于数字示波器，基于Qwt。目前一切正常，但可能还有一些功能需要添加 ;-)

目前，数据以列方式存储在QVectors中，与另一个独立的QObject中的全局时间参考QVector一起存储。因此，可以按行丢弃数据以仅保留一定过去的Measurement。所有QVectors始终具有相同的长度。然后可以按行进行时间正确的绘图在QwtPlot中。

我希望更加封装数据存储，以使其更独立于测量工作。因此，很好将每个测量的时间坐标单独放在一个QObject中，并将它们与数据一起放入另一个QObject中，该QObject接受并传递数据。然后会有10或20个这样的QObjects，每个数据通道一个，由覆盖在QwtPlot上方的QObject分别绘制。

现在，数据可以是动态的，无论数据在存储、修改或之间丢弃的方式如何，都不应对外部可见。

我的问题是：这样做明智吗？20或30个QObject，每个包含10000个测量值、10000个时间值，以及一个类似大小的单独内存区域（动态填充），其中子集数据用于绘图...是否明智地将每个测量值作为信号发送到其QObject中，每秒约1kHz的频率？信号/槽机制来自于将每个OBject后期设置为QThread，并在数据上实现实时过滤，如低通或FFT - 因此，在多线程环境中，信号/槽连接很方便来控制输出？

如何在我的OBjects中高效地存储数据？我考虑使用两个QList，一个用于时间，另一个用于宝贵数据。然后动态分配两个纯double数组进行动态访问，将指针与长度一起放入结构体中，并通过accessData(pastTime)方法返回。动态内存填充了从“现在”到过去某个点的timeVal/测量值组合，可以通过信号设置。所有易碎物品都由QObject中的互斥体保护。

当丢弃旧值时，QList必须从开头开始搜索第一个年轻到足以保留的值，位于此索引之前的值将被丢弃。QMap是否更聪明，因为它有upperBound()函数？我认为隐藏的开销不值得。

一个专业的程序员如何优雅、高效地解决这个问题？有没有特殊的Qt功能需要了解？或者甚至有免费的解决方案？无论如何，这样一个基本的问题需要这么多的文本...感谢您阅读到这里 ;-)

提前感谢

Marvin

编辑：在stijn的评论后进行了一些整理。

- marvin2k

不是很理解你的问题：为什么要在 QObject 中放置一个测量，并保留额外的 QObject 用于时间坐标？这两者都是静态数据，所以我不明白为什么你要连接信号/槽到它们，而且我觉得你想要将一个测量从其时间中分离出来听起来非常奇怪。你能否详细说明一下/提供一个关于此类对象上信号的示例？ - stijn

无论如何，我以前有一些使用半实时绘图和QwtPlot的经验。让这对我们起作用的最方便的方法是生产者/消费者场景。简而言之，生产者线程从ADC读取数据并进行一些处理，然后将数据包放入循环缓冲区中。消费者线程从缓冲区中读取大块数据，决定如何处理它，切割信号并传递给QwtPlot。请注意，所有数据采集、缓冲、处理都是不使用Qt编写的：它没有真正可用于存储2D数据或与音频硬件通信的类型，因此这些都是使用C++自己编写的。 - stijn

嗯，不是这样的——我想把同一种类的所有测量值和所有记录时间放在一个子类/对象中，但隐藏这种复杂性。这样可以实现异步记录、实时处理等功能... - marvin2k

2个回答

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QObjects乍一看似乎是处理此类数据存储问题的绝佳方法。当我第一次开始使用Qt时，我也是这么想的。然而，它们并不是用于此目的的。关于QObjects的真实用途和作用有一个很好的介绍，可以在http://www.informit.com/articles/article.aspx?p=667415上找到。

如果你要做的只是将数据存储在一个类中，正如我阅读你的问题时所看到的那样，那么就不要使用基于QObject的类。这会严重影响你的性能。

至于哪些Qt特定的功能会对你有所帮助，实际上没有什么特别适用于Qt的东西可以帮助你。我发现Qt的容器比标准模板库或一些boost专门的容器更易于使用，因为当时我还不太了解stl。

从性能角度来看，我最好的建议是通过编写内存池系统或为每个新读取使用Boost Pool来最小化new/delete的数量，并尽量减少数据移动。

- photo_tom

谢谢，我已经从数据存储中移除了QObject，这确实加快了速度;-)感谢您的文章，除了Qt文档之外，还有一个新的视角。但是我不打算使用boost--我正在进行一个更大的项目，不能做出这样的决定。Qt很好;-) - marvin2k

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可以查看英文原文，
原文链接

- stijn · Accepted Answer

photo_tom的回答已经概括了它的意思：我会避免使用QObjects来实现数据处理。

如果你决定使用Qt之外的其他GUI，重构代码将更加困难。 QList和QVector这样的类可以被STL替代而没有太多问题，但是信号/插槽部分就不同了。
任何第三方信号处理实现（如滤波/fft）可能会采用1D或2D数据的原始指针，因此您需要从QVector中取出这些指针，我甚至不确定是否可能。如果不行，您将不得不从QVector中取出每个样本并将其复制到内存块中，然后进行处理，再将其放回QVector中。
这就带我们来到关于QList/QMap的问题：可以使用它们中的任何一个，但它们实际上是设计为具有随机访问迭代器的动态容器，而您拥有一些固定大小的内存块，其中包含2D数据。值得研究一下自定义数据容器类，以完全满足您的需求。拿起纸笔，写下您实际需要的内容，清空您的思维并忘记Qt / STL / ...，然后考虑您需要实现这些组件，然后进一步考虑这些组件如何可以实现（最终以Qt为基础）。
对于这样的代码，最好不要重新分配。预先限制允许的最大历史记录和样本数（或将其设置为配置设置），并在程序启动时分配所需的数组，然后进一步重用相同的内存。
考虑使用循环缓冲区。当数据以与取出数据不同的速率进入时（大多数情况下是数据采集），它非常方便，不需要重新分配，自动保留历史记录，并且如果其读/写方法直接返回指向底层内存的指针，则可以使用最少量的内存副本来实现。
也许重新考虑您的线程想法，因为这可能会使您的代码变得不必要地复杂：最终，所有不同通道的数据都必须同时显示在屏幕上。如果用户在x时间看到来自通道1的数据，则通道2的数据也必须来自时间x，否则作为范围就没有太多意义。但是假设您在不同的线程中处理这些通道的数据，则在执行实际显示的线程中需要额外的同步，因为不是所有数据线程都会在时间x同时完成处理块。除此之外，请考虑可能根本没有性能提升：如果CPU必须为30个通道计算FFT并在100％处剪辑，那么它是否真的会更快地计算这些FFT，如果它们分布在30个线程中？
顺便说一句，您说这是一个基本问题，我认为它实际上不是。我已经在不同设备上为数据采集/处理/可视化/保存做了一些应用程序，我认为这些应用程序最难开发..