CN101819590A - 基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，通过“模型”的像素操作模块，读取并判断所述“模型”的视图窗口坐标系下坐标点的像素值，进而判断该矢量数据的所有原始坐标点是否需要化简掉。本发明的有益效果主要体现在：提高了矢量数据的传输效率和显示效率；不但能保证每个任意复杂的矢量数据本身化简后的空间关系的正确显示，而且能保证所有经化简后的矢量数据之间的空间关系的正确显示。

Description

基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间实体视图模型的矢量数据的自适应化简方法，属于空间信息技术、计算机图形学、虚拟现实技术和计算机操作系统等领域。

背景技术

随着空间信息技术的快速发展，获取的高分辨率、高精度的空间数据呈爆炸式增长，但随之产生了一系列的问题需要解决，特别突出的是高精细地图的海量矢量数据的实时快速传输和显示的问题，解决此问题的关键方法之一是把矢量数据经化简后再进行传输和显示。目前矢量数据的化简方法最具有代表性的是道格拉斯—普克法(Douglas-Peucker)，基本思路是：对每一条曲线的首末点虚连一条直线，求所有点与直线的距离，并找出最大距离值dmax，用dmax与限差D相比：若dmax＜D，这条曲线上的中间点部舍去；若dmax≥D，保留dmax对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该方法。该方法的缺点：1、距离阈值D的选取，通常根据人工对矢量数据复杂性的判断，凭经验来选取，因此人工经验的距离阈值大小决定了矢量数据化简后所保留点的数目。2、该方法最大的缺陷是没有考虑矢量数据之间的空间关系，不能保证所有经化简后的矢量数据之间的空间关系的正确显示。3、不能根据矢量数据在客户端显示的放大比例进行无损显示化简(化简前和化简后显示的效果是一样的)，即不能做到自适应化简。4、计算量大，效率比较低，难以满足大规模矢量数据的实时化简。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种大规模矢量数据高效、自适应、实时化简的方法，该方法不但能保证每个任意复杂的矢量数据(如自交、带岛、带洞等)本身化简后的空间关系的正确显示，而且能保证所有经化简后的矢量数据之间的空间关系的正确显示。

本发明基于如下原理：从视图的角度，在视图窗口大小确定的情况下，无论多么精细、多么海量的空间数据，所需要的最大数据量是恒定的，就是用于填充完视图窗口的全部像素所需的空间数据。当地图放大时，矢量数据显示到屏幕上填充的像素个数比较多(矢量数据显示的图形比较大)，需要更多的坐标点来表现矢量数据的细节部分，但视图窗口范围内显示的矢量数据个数减少；当地图缩小时，视图窗口范围内显示的矢量数据增多，但每个矢量数据显示到屏幕上填充的像素个数减少(矢量数据显示的图形比较小)，会有更多的表现矢量数据细节部分的数据(坐标点)会绘制在相同的像素上，这时只要取绘制在此像素上的一个坐标点就可以保证矢量数据的无损显示了，其它的坐标点都可以去掉，用这种方法对矢量数据进行化简，不但能保证矢量数据显示无损，做到自适应化简，而且能保证矢量数据之间空间关系显示的正确性，因为在显示效果上，化简前和化简后显示的效果是一样的。

按化简的目的不同，可分为客户端和服务器端化简：1、在客户端对矢量数据进行化简，可以提高显示效率。2、在服务器端对矢量数据进行化简，然后传输到客户端，则可以提高传输效率，减少客户端的等待时间。无论是在客户端，还是在服务器端，化简的方法是相同的。

基于空间实体视图模型(简称“模型”)来对矢量数据进行自适应化简，按化简的目的不同，流程分别如下：

1、服务器端对矢量数据进行自适应化简的流程为：(1)客户端将其视图窗口的外包矩形、查询空间实体的矩形范围和视图模式等参数传给服务器端并请求所需空间数据。(2)服务器端根据客户端的请求查询出所需矢量数据，然后通过所述“模型”对矢量数据进行自适应化简步骤。(3)将化简后的矢量数据传输至客户端。

2、客户端对矢量数据进行自适应化简的流程为：(1)根据查询空间实体的矩形范围查询出所需空间数据，然后通过所述“模型”对矢量数据进行自适应化简步骤。(2)客户端将化简后的矢量数据直接显示或进行进一步的处理，例如进一步选取等等。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

对于每个矢量数据的具体的自适应化简步骤包括：

1、初始化“模型”。

2、按顺序取出矢量数据的一个原始坐标点。

3、通过“模型”的坐标转换模块，将此矢量数据的原始坐标系下的原始坐标点变换为“模型”的视图窗口坐标系下的坐标点。

4、通过“模型”的像素操作模块，读取并判断所述“模型”的视图窗口坐标系下坐标点的像素值(即栅格数据)：

(1)如果像素值等于0，则此原始坐标点选定，且不化简掉，并将所述视图窗口坐标系下的坐标点的像素的值赋值为1。

(2)如果像素值等于1，则判断此原始坐标点是否为矢量数据的最后一个原始坐标点：

①如果是最后一个原始坐标点，则判断此原始坐标点是否等于第一个原始坐标点：如果等于，则此原始坐标点选定，且不化简掉；如果不等于，则判断此原始坐标点和它的前一个原始坐标点变换为“模型”视图窗口坐标系下的坐标点是否相同：如果相同，则此原始坐标点化简掉；如果不相同，则此原始坐标点选定，且不化简掉。

②如果不是最后一个原始坐标点，则判断此原始坐标点和它的前一个原始坐标点变换为“模型”视图窗口坐标系下的坐标点是否相同：如果相同，则此原始坐标点化简掉；如果不相同，则此原始坐标点选定，且不化简掉。

5、重复步骤2至步骤4，直到矢量数据的所有原始坐标点判断完为止。

其中，步骤1初始化空间实体视图模型：通过“模型”的初始化模块给“模型”的栅格数据赋初始值和给“模型”的控制参数赋值。

其中包括：将客户端的视图模式赋值给“模型”的视图模式，视图模式包括二维视图模式和三维视图模式；将客户端的视图窗口的外包矩形赋值给“模型”视图窗口的外包矩形；根据视图窗口的外包矩形给模型分配栅格数据，并给分配的栅格数据赋初始值；

如果视图模式是二维视图模式：

a)将客户端查询空间实体的矩形范围赋值给“模型”的查询空间实体的矩形范围；

b)计算出实际显示的视图窗口中空间实体的放大比例，计算方法是：“模型”视图窗口的外包矩形的宽度除以“模型”的查询空间实体的矩形的宽度所得的值和“模型”视图窗口的外包矩形的高度除以“模型”的查询空间实体的矩形的高度所得的值中较小的作为放大比例，将此放大比例赋值给“模型”视图中空间实体的放大比例，它表示空间实体在视图窗口中显示的大小。为了保证化简前后矢量数据显示的效果是一样的，需要用实际显示的视图窗口中空间实体的放大比例给“模型”视图中空间实体的放大比例赋值，同时也可以通过调整“模型”中的空间实体的放大比例，来控制矢量数据的压缩比(化简掉的坐标点个数除以总的坐标点个数)，“模型”中的空间实体的放大比例越小，矢量数据的压缩比越大，但如果获得更大的压缩比，会有更多的表现图形细节的坐标点会被化简掉；

如果视图模式是三维视图模式：

a)给视点参数赋值，视点参数包括：1)视点在世界坐标系中的位置O(x_o，y_o，z_o)，x_o，y_o，z_o表示视点在世界坐标系中的三个分量；2)视点所观察的目标位置A(x_a，y_a，z_a)；3)虚拟照相机向上的向量up(x_up，y_up，z_up)。通过视点参数可以确定一个变换矩阵，将世界坐标系中的顶点坐标变换到视点坐标系下；

b)给投影参数赋值，投影参数包括正交投影和透视投影；根据视图窗口的外包矩形和投影参数确定视景体，视图窗口的外包矩形决定视景体的大小，投影参数决定视景体的形状，如果投影参数为正交投影，则视景体为成直角的平行六面体，如果投影参数为透视投影，则视景体为一个棱锥的平截台体(棱台)。当空间实体从世界坐标变换到视点坐标以后，空间实体在视景体内的，经过投影将落在视图内而被显示；空间实体在视景体外的，则被裁剪掉；在基于深度的显示操作中，用视景体裁剪掉在前裁剪面之前以及在后裁剪面之后的空间实体，因此根据具体情况，有的还需要设置视景体的视角、近裁剪面到视点的距离和远裁剪面到视点的距离等参数。

本发明的有益效果主要体现在：

(1)提高了矢量数据的传输效率和显示效率；

(2)可以保证所有矢量数据化简后显示的空间关系正确；

(3)可以保证化简后矢量数据的显示效果同原始矢量数据的显示效果相同，即保证化简后的矢量数据显示没有失真，进行自适应化简。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明基于空间实体视图模型的矢量数据的化简方法的化简步骤流程示意图。

具体实施方式

本发明基于一种空间实体视图模型，简单来说，即空间实体视图模型能模拟实际的视图窗口环境，预先对空间实体的空间数据进行分析和选取，进而仅将有用的空间数据通过传输介质传输至实际视图窗口。其空间实体视图模型至少包括：

1)数据结构：栅格数据结构，模型中用栅格数据来表示二维栅格图像，把视图窗口平面划分成均匀的网格，每个网格单元称为像素，栅格数据结构就是像素阵列，栅格中的每个像素是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。由于栅格数据是按一定规则排列的，所以表示的实体位置关系是隐含在行号、列号之中的。每个像素值用于代表空间实体的属性或属性的编码。

2)模型的控制参数(约束条件)：包括视图模式，视图窗口的外包矩形(像素坐标)，视图中空间实体的放大比例，视点参数，投影参数，查询空间实体的矩形范围。

3)模型的控制模块：包括初始化模块，用于给“模型”的栅格数据赋初始值和给“模型”的控制参数赋值；坐标变换模块，用于将矢量数据的原始坐标系下的坐标点根据“模型”的控制参数变换为视图窗口坐标系下的坐标点；像素操作模块，用于给像素赋值(栅格化)、读取和判定像素值。

如图1所示，本发明的基于空间实体视图模型的矢量数据的化简方法，在执行前必须首先用客户端的视图模式、视图窗口的外包矩形等参数来初始化所述的空间实体视图模型。

其中包括：将客户端的视图模式赋值给“模型”的视图模式，视图模式包括二维视图模式和三维视图模式；将客户端的视图窗口的外包矩形赋值给“模型”视图窗口的外包矩形；根据视图窗口的外包矩形给模型分配栅格数据，并给分配的栅格数据赋初始值0；

如果视图模式是二维视图模式：

a)将客户端查询空间实体的矩形范围赋值给“模型”的查询空间实体的矩形范围；

b)计算出实际显示的视图窗口中空间实体的放大比例，计算方法是：“模型”视图窗口的外包矩形的宽度除以“模型”的查询空间实体的矩形的宽度所得的值和“模型”视图窗口的外包矩形的高度除以“模型”的查询空间实体的矩形的高度所得的值中较小的作为放大比例，将此放大比例赋值给“模型”视图中空间实体的放大比例，它表示空间实体在视图窗口中显示的大小。为了保证化简前后矢量数据显示的效果是一样的，需要用实际显示的视图窗口中空间实体的放大比例给“模型”视图中空间实体的放大比例赋值，同时也可以通过调整“模型”中的空间实体的放大比例，来控制矢量数据的压缩比(化简掉的坐标点个数除以总的坐标点个数)，“模型”中的空间实体的放大比例越小，矢量数据的压缩比越大，但如果获得更大的压缩比，会有更多的表现图形细节的坐标点会被化简掉；

如果视图模式是三维视图模式：

a)给视点参数赋值，视点参数包括：1)视点在世界坐标系中的位置O(x_o，y_o，z_o)，x_o，y_o，z_o表示视点在世界坐标系中的三个分量；2)视点所观察的目标位置A(x_a，y_a，z_a)；3)虚拟照相机向上的向量up(x_up，y_up，z_up)。通过视点参数可以确定一个变换矩阵，将世界坐标系中的顶点坐标变换到视点坐标系下；

b)给投影参数赋值，投影参数包括正交投影和透视投影；根据视图窗口的外包矩形和投影参数确定视景体，视图窗口的外包矩形决定视景体的大小，投影参数决定视景体的形状，如果投影参数为正交投影，则视景体为成直角的平行六面体，如果投影参数为透视投影，则视景体为一个棱锥的平截台体(棱台)。当空间实体从世界坐标变换到视点坐标以后，空间实体在视景体内的，经过投影将落在视图内而被显示；空间实体在视景体外的，则被裁剪掉；在基于深度的显示操作中，用视景体裁剪掉在前裁剪面之前以及在后裁剪面之后的空间实体，因此根据具体情况，有的还需要设置视景体的视角、近裁剪面到视点的距离和远裁剪面到视点的距离等参数。

当完成上述“模型”的初始化步骤后，接着按顺序完成下述步骤：

1、顺序取出矢量数据的一个原始坐标点P_i(i大于0，同时i小于或等于n，其中n为矢量数据坐标点的个数)；

2、通过选定的“模型”坐标转换模块，将P_i变换为“模型”视图窗口坐标系下的坐标点P_i′；

3、通过“模型”的像素操作模块，读取P_i′的像素值：

(1)如果像素值等于0，则P_i选定，且不化简掉，并将P_i′的像素的值赋值为1。

(2)如果像素值等于1，则判断P_i是否为矢量数据的最后一个原始坐标点，即判断i是否等于n：

①如果是最后一个原始坐标点，则判断此原始坐标点P_i是否等于第一个原始坐标点P₁：如果等于，则此原始坐标点P_i选定，且不化简掉；如果不等于，则判断P_i′是否等于P_i-1′：如果相同，则此原始坐标点P_i化简掉；如果不相同，则此原始坐标点P_i选定，且不化简掉。

②如果不是最后一个原始坐标点，则判断P_i′是否等于P_i-1′：如果相等，则P_i化简掉；如果不相等，则P_i选定，且不化简掉。

4、重复步骤1至步骤3，直到矢量数据的所有原始坐标点取出并判断完为止。

本发明还介绍了化简后空间实体数据的处理办法：

化简后的矢量数据如果不能满足构成空间实体的条件，则此空间实体不用传输或显示。如线实体：如果化简后的坐标点个数小于2个，则此线实体不用传输或显示；面实体：如果化简后的坐标点个数小于3个，则此面实体不用传输或显示。

本发明可以对矢量数据进行实时化简快速传输，也可以用于对空间实体进行化简提高显示效率(特别是对于掌上电脑等智能设备)。本发明尚有多种具体的实施方式。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：按顺序包括如下步骤，

1)初始化空间实体视图模型；

2)按顺序取出矢量数据的一个原始坐标点；

3)通过空间实体视图模型的坐标转换模块，将矢量数据的原始坐标系下的原始坐标点变换为空间实体视图模型的视图窗口坐标系下的坐标点；

4)通过空间实体视图模型的像素操作模块，读取并判断所述空间实体视图模型的视图窗口坐标系下坐标点的像素值，

(1)如果像素值等于0，则此原始坐标点选定，且不化简掉，并将所述视图窗口坐标系下的坐标点的像素的值赋值为1；

(2)如果像素值等于1，则判断此原始坐标点是否为矢量数据的最后一个原始坐标点，

①如果是最后一个原始坐标点，则判断此原始坐标点是否等于第一个原始坐标点：如果等于，则此原始坐标点选定，且不化简掉；如果不等于，则判断此原始坐标点和它的前一个原始坐标点变换为“模型”视图窗口坐标系下的坐标点是否相同：如果相同，则此原始坐标点化简掉；如果不相同，则此原始坐标点选定，且不化简掉；

②如果不是最后一个原始坐标点，则判断此原始坐标点和它的前一个原始坐标点变换为模型的视图窗口坐标系下的坐标点是否相同：如果相同，则原始坐标点化简掉；如果不相同，则原始坐标点选定，且不化简掉；

5)重复步骤2)至步骤4)，直到矢量数据的所有原始坐标点判断完为止。

2.根据权利要求1所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述空间实体视图模型至少包括栅格数据结构、模型的控制参数以及模型的控制模块；

所述栅格数据结构为像素阵列，所述像素为视图窗口平面划分成的均匀网格单元，所述像素是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置用行号和列号确定；

所述模型的控制参数至少包括视图模式，视图窗口的外包矩形；所述视图模式包括二维视图模式和三维视图模式，当模型的视图为二维视图模式时，所述控制参数至少还包括查询空间实体的矩形范围和视图中空间实体的放大比例；当模型的视图为三维视图模式时，所述控制参数至少还包括视点参数和投影参数；

所述模型的控制模块至少包括初始化模块，用于给模型的栅格数据赋初始值和给模型的控制参数赋值；坐标变换模块，用于将空间数据的原始坐标系下的坐标点根据模型的控制参数变换为视图窗口坐标系下的坐标点；像素操作模块，用于给模型的像素赋值，以及读取和判定像素值。

3.根据权利要求1所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述空间实体视图模型设置于服务器端，所述矢量数据自适应化简的流程为：(1)客户端将其视图窗口的外包矩形、查询空间实体的矩形范围和视图模式参数传给服务器端并请求所需空间数据；(2)服务器端根据客户端的请求查询出所需矢量数据，然后通过所述模型对矢量数据进行自适应化简步骤；(3)将化简后的矢量数据传输至客户端。

4.根据权利要求1所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述空间实体视图模型设置于客户端，所述矢量数据自适应化简的流程为：(1)根据查询空间实体的矩形范围查询出所需空间数据，然后通过所述模型对矢量数据进行自适应化简步骤；(2)客户端将化简后的矢量数据直接显示或进行进一步的处理。

5.根据权利要求2所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述步骤1初始化空间实体视图模型包括通过空间实体视图模型的初始化模块给空间实体视图模型的栅格数据赋初始值和给空间实体视图模型的控制参数赋值。

6.根据权利要求5所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述初始化空间实体视图模型包括如下步骤，

(1)给视图模式赋值为二维视图模式；

(2)给显示空间实体视图窗口范围的视图窗口外包矩形赋值；

(3)根据视图窗口的外包矩形给模型分配栅格数据；

(4)给分配的栅格数据赋初始值；

(5)给查询空间实体的矩形范围赋值，用于将此范围内的空间实体显示在视图窗口中；

(6)给视图中空间实体的放大比例赋值。

7.根据权利要求6所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述空间实体视图模型的视图中空间实体的放大比例赋值步骤中，包括如下步骤，

(1)比较视图窗口的外包矩形的宽度除以查询空间实体的矩形的宽度所得的值和视图窗口的外包矩形的高度除以查询空间实体的矩形的高度所得的值；

(2)比较所得的较小的值作为空间实体的放大比例。

8.根据权利要求7所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：通过调整所述空间实体视图模型中的空间实体的放大比例，来控制矢量数据的压缩比。

9.根据权利要求8所述的基于空间实体视图模型的矢量数据自适应化简方法，其特征在于：所述初始化空间实体视图模型包括如下步骤，

(1)给视图模式赋值为三维视图模式；

(2)给显示空间实体视图窗口范围的视图窗口外包矩形赋值；

(3)根据视图窗口的外包矩形给模型分配栅格数据；

(4)给分配的栅格数据赋初始值；

(5)给视点参数赋值，用于将世界坐标系中的顶点坐标变换到视点坐标系下；

(6)给投影参数赋值，并根据视图窗口的外包矩形和投影参数确定视景体。

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