Blackboard programtervezési minta

A szoftverfejlesztésben a blackboard minta egy viselkedési minta, ami számítási keretrendszert biztosít a tervezéshez és olyan rendszerek implementálásához, amik nagy és különböző specializált modulokat integráltak, és komplex, nem determinisztikus stratégiát valósít meg.[1][2] Ezt a mintát a HEARSAY-II projekt tagjai alkották, és először hangfelismeréshez használták.[1]

Szerkezete

A blackboard modellnek három fő összetevője van:

  • blackboard (Blackboard) - egy strukturált globális memória, ami a megoldás objektumait tartalmazza
  • tudásbázis (Knowledge Sources)- magasan specializált modulok a saját reprezentációjukkal együtt
  • vezérlő összetevők (Control) - selectek, konfigurációk és tudásbázisok futtatása.[1]

Implementáció

Első lépés, hogy tervezzük meg a megoldás terét, ami a blackboard struktúra definíciójához vezet. Aztán, a tudásbázist kell elkészíteni. Ez a két lépés nagyon összefüggő.[1]

A következő lépés, a vezérlők meghatározása, ami általában komplex ütemezés formájában létezik, ami domain-specifikus heurisztikákat használ, hogy rangsorolja a végrehajtható tudásbázist.[1]

System Structure
System Structure

[1]

Ismert felhasználásai

  • beszédfelismerés
  • jármű azonosítás és követés
  • protein molekulák struktúrájának azonosítása
  • szonár jelek elemzése[1]

Következmények

A blackboard minta hatékony megoldást biztosít olyan komplex rendszerek tervezéséhez és implementálásához, ahol heterogén modulok dinamikus kombinációjával oldjuk meg a problémát. Ez biztosít olyan nem funkcionális tulajdonságokat mint:

  • újrafelhasználhatóság
  • változtathatóság
  • robusztusság[1]

A blackboard minta megengedi, hogy a processzek szorosan együtt működhessenek különböző szálakon, és reagáljanak, ha kell.

Példák

Radar védelmi rendszer minta (C#-ban).[2]

Kód a MainWindow.xaml: 

<ListBox ItemsSource="{Binding blackboard.CurrentObjects}" ItemsPanel="{DynamicResource ItemsPanelTemplate1}" ItemContainerStyle="{DynamicResource ItemContainerStyle}" ItemTemplate="{DynamicResource ItemTemplate}" Margin="20,20,20,10" Foreground="#FFDE6C6C" >
    <ListBox.Resources>
        <ItemsPanelTemplate x:Key="ItemsPanelTemplate1">
            <Canvas IsItemsHost="True"/>
        </ItemsPanelTemplate>

[2] Kód az item container helymeghatározásához 

<Style x:Key="ItemContainerStyle" TargetType="{x:Type ListBoxItem}">
    <Setter Property="Background" Value="Transparent"/>
    <Setter Property="HorizontalContentAlignment" Value="{Binding HorizontalContentAlignment, RelativeSource={RelativeSource AncestorType={x:Type ItemsControl}}}"/>
    <Setter Property="VerticalContentAlignment" Value="{Binding VerticalContentAlignment, RelativeSource={RelativeSource AncestorType={x:Type ItemsControl}}}"/>
    <Setter Property="Canvas.Left" Value="{Binding X}"/>
    <Setter Property="Canvas.Top" Value="{Binding Y}"/>
    <Setter Property="Template">
        <Setter.Value>
            <ControlTemplate TargetType="{x:Type ListBoxItem}">
                <Border x:Name="Bd" BorderBrush="{TemplateBinding BorderBrush}" BorderThickness="{TemplateBinding BorderThickness}" Background="{TemplateBinding Background}" Padding="{TemplateBinding Padding}" SnapsToDevicePixels="true">
                    <ContentPresenter HorizontalAlignment="{TemplateBinding HorizontalContentAlignment}" SnapsToDevicePixels="{TemplateBinding SnapsToDevicePixels}" VerticalAlignment="{TemplateBinding VerticalContentAlignment}"/>
                </Border>
            </ControlTemplate>
        </Setter.Value>
    </Setter>
</Style>

[2]

Kód az Item-hez (ItemTemplate definiálja az objektumot, egy Image és TextBox-ok): 

<DataTemplate x:Key="ItemTemplate">
    <Border>
        <Border.Style>
            <Style TargetType="{x:Type Border}">
                <Style.Triggers>
                    <DataTrigger Binding="{Binding IsThreat}" Value="true">
                        <Setter Property="Background" Value="Red"/>
                    </DataTrigger>
                    <DataTrigger Binding="{Binding IsThreat}" Value="false">
                        <Setter Property="Background" Value="Green"/>
                    </DataTrigger>
                </Style.Triggers>
            </Style>
        </Border.Style>
        <Grid Margin="3">
            <Image Height="48" Source="{Binding Image}" />
            <StackPanel Margin="0,0,0,-30" VerticalAlignment="Bottom" >
                <TextBlock Text="{Binding Type}"/>
                <TextBlock Text="{Binding Name}"/>
            </StackPanel>
            <TextBlock HorizontalAlignment="Right" TextWrapping="Wrap" Text="{Binding DistanceFromDestruction}" VerticalAlignment="Bottom" Width="Auto" Visibility="{Binding IsThreat, Converter={StaticResource BooleanToVisibilityConverter}}"/>
        </Grid>
    </Border>
</DataTemplate>

[2]

Kód a Blackboard komponens mögött MVVM ViewModel implementációjában: 

public Blackboard blackboard { get; set; }
Controller controller;

public MainWindow()
{
    InitializeComponent();
    DataContext = this;
 
    blackboard = new  Blackboard();
    controller = new  Controller(blackboard);
 
}

[2]

A Controller mögötti kód: 

private void  Button_Click(object sender, System.Windows.RoutedEventArgs e)
{
    controller.AddSignalProcessor();
}

[2]

Kód a base class IObject-hez: 

public interface  IObject
{
    ObjectType Type { get; set; }
    string Name { get; set; }
    WriteableBitmap Image { get; set; }
    bool? IsThreat { get; set; }
    ProcessingStage Stage { get; set; }
    int X { get; set; }
    int Y { get; set; }

    IObject Clone();
}

[2]

Kód a radar module-ban: 

AllObjects = new List<IObject>
{
    new BirdObject(ObjectType.Bird, "", new WriteableBitmap(new System.Windows.Media.Imaging.BitmapImage(new Uri(@"pack://application:,,,/Media/Bird.bmp", UriKind.Absolute))), false, false),
    new PlaneObject(ObjectType.Plane, "", new WriteableBitmap(new System.Windows.Media.Imaging.BitmapImage(new Uri(@"pack://application:,,,/Media/Plane.bmp", UriKind.Absolute))), false, false),
    new RocketObject(ObjectType.Rocket, "", new WriteableBitmap(new System.Windows.Media.Imaging.BitmapImage(new Uri(@"pack://application:,,,/Media/Rocket.bmp", UriKind.Absolute))), false, false),
};

[2]

Kód ami a beérkező objektumokat kezeli: 

public IncomingObject(IObject obj)
    : base(ObjectType.Unknown, null, null, true, null)
{
    actualObject = obj;
    ProcessedPixels = new  bool[16, 16];
 
    //Paint the image as all red to start with
    Image = new  WriteableBitmap(48, 48, 72, 72, PixelFormats.Bgr32, null);
    int[] ary = new  int[(48 * 48)];
    for (var x = 0; x < 48; x++)
        for (var y = 0; y < 48; y++)
            ary[48 * y + x] = 255 * 256 * 256;
    Image.WritePixels(new Int32Rect(0, 0, 48, 48), ary, 4 * 48, 0);
}

[2]

Kód a tudásbázis interfészéhez: 

public interface  IKnowledgeSource
{
    bool IsEnabled { get; }
    void Configure(Blackboard board);
    void ExecuteAction();
 
    KnowledgeSourceType KSType { get; }
    KnowledgeSourcePriority Priority { get; }
    void Stop();
}

[2]

A jel processor implementálásához: 

public override  bool IsEnabled
{
    get
    {
        for (var ix = 0; ix < blackboard.CurrentObjects.Count(); ix++)
            if (blackboard.CurrentObjects[ix].Stage < ProcessingStage.Analysed)
                return true;
 
        return false;
    }
}

public override  void ExecuteAction()
{
    for (var ix = 0; ix < blackboard.CurrentObjects.Count(); ix++)
        if (blackboard.CurrentObjects[ix].Stage < ProcessingStage.Analysed)
            ProcessAnotherBit(blackboard.CurrentObjects[ix]);
}

void ProcessAnotherBit(IObject obj)
{
    int GRANULARITY = 16;
    int blockWidth = obj.Image.PixelWidth / GRANULARITY;

[2]

kódrészlet writablebitmaps-ok közti másoláshoz: 

int stride = obj.Image.PixelWidth * obj.Image.Format.BitsPerPixel / 8;
int byteSize = stride * obj.Image.PixelHeight * obj.Image.Format.BitsPerPixel / 8;
var ary = new  byte[byteSize];
obj.Image.CopyPixels(ary, stride, 0);

[2] 

var unk = obj as  IncomingObject;
unk.GetActualObject().Image.CopyPixels(aryOrig, stride, 0);

[2] 

for (var iy = 0; iy < blockWidth; iy++)
{
    for (var ix = 0; ix < blockWidth; ix++)
        for (var b = 0; b < 4; b++)
        {
            ary[curix] = aryOrig[curix];
            curix++;
        }
    curix = curix + stride - (blockWidth * 4);
}

[2] 

obj.Image.WritePixels(new Int32Rect(0, 0, obj.Image.PixelWidth, obj.Image.PixelHeight), ary, stride, 0);

[2]

Kód a pixelek összehasonlításához a képfelismerésnél: 

for (var ix = 0; ix < blockWidth; ix++)
{
    var argb1 = (ary[curix + 1] * 256 * 256) + (ary[curix + 2] * 256) + ary[curix + 3];
    var argb2 = (aryKnown[curix + 1] * 256 * 256) + (aryKnown[curix + 2] * 256) + aryKnown[curix + 3];
    if (argb1 != 255 * 256 * 256 && argb1 != argb2)
    {
        nomatch = true;
        break;
    }
    curix += 4;
}

[2] 

if (matches.Count() == 1)
{
    obj.Type = matches[0].Type;
    obj.Name = matches[0].Name;
    obj.IsThreat = matches[0].IsThreat;

    obj.Image = new  WriteableBitmap(matches[0].Image); //Create new image instance

    if (obj.Type != ObjectType.Plane)
        obj.Stage = ProcessingStage.Identified;
    else
        obj.Stage = ProcessingStage.Analysed;
}

[2]

Kód a repülő azonosításhoz: 

for (var ix = 0; ix < blackboard.CurrentObjects.Count(); ix++)
{
    var obj = blackboard.CurrentObjects[ix];
    if (obj.Stage == ProcessingStage.Analysed && obj.Type == ObjectType.Plane)
    {
        var unk = obj as IncomingObject;
        var actual = unk.GetActualObject();
        obj.Name = actual.Name;
        obj.IsThreat = actual.IsThreat;
        obj.Stage = ProcessingStage.Identified;
    }
}

[2]

Kód a harcigépekhez: 

public override  void ExecuteAction()
{
    for (var ix = 0; ix < blackboard.CurrentObjects.Count(); ix++)
    {
        var obj = blackboard.CurrentObjects[ix] as  IncomingObject;
        if (obj.IsThreat != null && obj.IsThreat.Value && (obj.Stage != ProcessingStage.Actioned))
        {
            if (obj.MoveHitsTarget())
                DestroyTarget(obj);
        }
    }
}

private void  DestroyTarget(IncomingObject obj)
{
    int stride = obj.Image.PixelWidth * obj.Image.Format.BitsPerPixel / 8;
    int byteSize = stride * obj.Image.PixelHeight * obj.Image.Format.BitsPerPixel / 8;
    var ary = new  byte[byteSize];
    obj.Image.CopyPixels(ary, stride, 0);
 
    DrawCross(stride, ary);
 
    obj.Image.WritePixels(new Int32Rect(0, 0, obj.Image.PixelWidth, obj.Image.PixelHeight), ary, stride, 0);
    obj.Stage = ProcessingStage.Actioned;
}

private static  void DrawCross(int stride, byte[] ary)
{
    for (var y = 1; y < 47; y++)
    {
        var line1Pos = (y * stride) + (y * 4);
        var line2Pos = (y * stride) + (stride - 4) - (y * 4);
        for (var a = -1; a < 2; a++)
        {
            ary[line1Pos + 4 + (a * 4)] = ary[line2Pos + 4 + (a * 4)] = 255;
            ary[line1Pos + 5 + (a * 4)] = ary[line2Pos + 5 + (a * 4)] = 0;
            ary[line1Pos + 6 + (a * 4)] = ary[line2Pos + 6 + (a * 4)] = 0;
            ary[line1Pos + 7 + (a * 4)] = ary[line2Pos + 7 + (a * 4)] = 0;
        }
    }
}

[2]

Kapcsolódó cikkek

Jegyzetek

  1. ↑ a b c d e f g h Lalanda, P., Two complementary patterns to build multi-expert systems, Orsay, France: Thomson CSF Corporate Research Laboratory
  2. ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t Blackboard Design Pattern. Microsoft TechNet . Microsoft. (Hozzáférés: 2016. február 5.)

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Blackboard (design pattern) című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.