CN105701855B - 基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及GIS领域和数字地图制图领域的一种符号化渲染技术，给出了一种基于符号结构信息的线型矢量要素反走样绘制方法，利用GPU可编程流水线和Shader语言实现了基于该方法的线状矢量要素高质量绘制。该方法包括以下步骤：首先根据线宽构造三角化后的线Mesh，将沿线走向的U参数和垂直于线走向的V参数传递给Mesh中的每个顶点；接着根据需要填充的地图符号单元生成颜色结构表，确定反走样阈值，并将此颜色结构表、反走样阈值和U‑V参数传递到Shader程序中；利用Shader语言，根据每个顶点的U‑V值，判读当前像素是否在反走样阈值内，在阈值内则先进行U方向的反走样颜色混合计算，再进行V方向的反走样颜色混合计算；最后得到需要填充的颜色，对线要素进行逐像素绘制。

Description

基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法

技术领域

本发明涉及GIS领域和数字地图领域的一种符号化渲染技术，给出了一种基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法，利用GPU(Graphics Processing Unit)可编程流水线和Shader语言实现了基于该方法矢量线要素的高质量绘制。设计了颜色结构表来对线型地图符号进行有效映射和表达，提高了矢量线要素的绘制效率和符号化的灵活性。

背景技术

矢量数据是对空间实体抽象表达的一种重要形式，而利用不同的颜色、尺寸、形状等参数来对矢量数据进行符号化呈现是将空间实体信息利用地图传递给用户的重要手段。由于符号化显示的结果最终是在一个个离散的像素上显示的，原始数据的数学连续特性无法直接映射到这些像素坐标中，即形成了锯齿化的效果。为了更加清晰的表达空间信息，对于矢量要素的反走样绘制一直都是GIS领域和数字地图制图领域的研究热点。

相比于点符号和面符号，线型符号由于需要沿线绘制这一关键特性，其绘制过程往往比较复杂。如何进行线段的反走样绘制，随着计算机可视化技术的发展，诸多方法被研究和发展。但这些方法要么是利用纯软件方法进行反走样计算(桂丽娟，申闫春.《基于亚像素精度的任意宽度直线反走样算法》.《计算机仿真》,2013,30(9):244-247)，如GDI+，AGG，Cairo等图形绘制方法库，要么采用全屏反走样和绘制后处理来对线的边界实现反走样(如果多重纹理采样方法MSAA，快速近似抗锯齿FXAA，增强型子像素形态学反锯齿SMAA等方法)。这两大类方法，前者不能适应于现代硬件加速绘制的技术体系，绘制效率低下；后者需要另外构建独立的显存来进行多重采样和过滤绘制(属于全屏后处理反走样)，对于线的反走样绘制只能在边界处理，所以要求将一个矢量要素按照符号结构多次绘制，同样会引起整体效率问题。论文《基于边界反走样算法的地图可视化研究》(梅洋,李霖,贺彪.《武汉大学学报·信息科学版》，2008,7:759-761)给出了一种基于Wu反走算法的地图符号反走样绘制方法，但这种仍然只关注于线边界的反走样，对矢量线内部的反走样并没有考虑。而利用GPU的可编程流水线和Shader来进行线状要素的绘制能够将原本需要多次绘制的矢量线要素，用Shader编程的方式一次性绘制。名称为“基于GPU的地图线形符号绘制方法及系统”，申请号201310125110.6的中国专利，在分析地图线形符号绘制的难点的基础上，公开了一种在Shader程序里面定制线型地图符号的绘制方法。但这种方法严格依赖于Shader编程，不同的线型符号需要在Shader里面大量的编程才能实现绘制；对于如何将各种各样的复杂线型地图符号映射到GPU像素计算的方面并没有给出方法，对于如何进行矢量线要素的反走样绘制亦没有给出方法。

因而，如何对符号化的矢量线要素进行反走样绘制是计算机地图绘制中的一个亟待解决的问题。这种反走样绘制需要适应于多种线型地图符号，且不仅仅是在线的边界反走样，对于线要素的内部也需要进行反走样，从而实现线要素的清晰表达。

发明内容

本发明的目的是在GPU可编程流水线和着色器技术的基础上，针对矢量线要素的反走样绘制问题，突破传统的软件反走样和全屏后处理的方式，实现基于符号结构的矢量线要素的边界与符号内部一致的反走样绘制。

本发明的技术方案是：

基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法，包括下列步骤：

步骤1初始化需要绘制的线状要素的点集序列，根据线宽生成需要绘制的三角形几何三角网：确定需要绘制的矢量线要素的线宽参数，遍历线要素中的每一个顶点，按照半个最大线宽向两边扩展，同时生成相应的三角形集合，并为每个三角形的每个顶点赋予沿线走向的长度值U值和垂直于线走向的长度值V值，即U-V值；最终得到最后一个顶点的U值作为整条线最大的U值MaxU；

步骤2确定需要沿线重复填充的符号单元的颜色结构表：将需要填充的符号单元按照纵向-横向的结构进行分解，用列优先的二维数组和相应的符号单元属性来结构化映射一个符号单元；

步骤3在着色器中根据符号颜色结构表确定当前像素的位置信息：在着色器中基于传递到着色器里面的顶点U-V值，动态确定每个像素的U-V值，即像素在水平方向上到线起点的距离u'值和像素在垂直方向上到线的上边界的距离v'值，由此确定每一个像素在符号颜色结构表中属于哪一个单元；根据所属单元的行列值，得到一个像素在沿线走向上占单元的比例u_Percernt和在垂直于线走向上占单元的比例v_Percernt；

步骤4首先判断步骤3确定的比例u_Percernt是否在反走样阈值范围内，如果在范围内则进行当前单元的左单元和右单元的颜色混合；再对比例v_Percernt判断是否在反走样阈值范围内，如果在范围内则进行当前单元的上单元和下单元的颜色混合；最后利用计算得到的颜色对线要素进行逐像素绘制。

所述步骤1中，将V值从0至最大线宽的范围内归一化到0至1的范围内，U值通过每个顶点距离起始点的距离除以最大线宽得到。

所述步骤2中，A.符号的颜色结构表：将符号单元按照其结构分解为几个列，每一列都包含其相应的行，每一行都包含其相应的四个角的颜色值，由此形成一系列的颜色单元来映射特定的符号；B.颜色结构表的单元属性：对于一个符号的颜色结构表，其每一列都包含相应的宽度属性和所包含的行数属性，每一行都包含相应的高度属性，每一列都包含一个布尔值来指明该列是否为背景列，整个颜色结构表包含总列数、总宽度和总高度属性。

所述步骤3中确定当前像素的位置信息，具体步骤为：在着色器中根据当前像素的u'值，利用公式U(p)＝u'-SL×[u'/SL]，计算其在符号颜色结构表中的位置，其中U(p)表示在颜色结构表中的U值，SL表达符号的总宽度，[u'/SL]表示对u'/SL的结果进行取整得到小于u'值的SL的整数倍；然后根据当前像素的v'值，迭代判断其在颜色结构表中所处的具体行，并结合U(p)值确定该像素在符号颜色结构表中所处的具体列；根据得到的具体行和列即可确定当前像素所处的单元；所述比例u_Percernt的计算公式为：u_Percent＝U(p)/ColumnWidth，其中ColumnWidth为像素所在单元的宽度；所述比例v_Percernt的计算公式为：v_Percent＝v'/RowHeight，其中RowHeight为像素所在单元的高度。

所述步骤4中，判断比例u_Percernt是否在反走样阈值范围内的具体步骤为：设传到着色器里面的反走样阈值为aa_Buffer，如果比例u_Percent小于阈值aa_Buffer或者1-u_Percent的值大于阈值aa_Buffer，则将当前像素所在的单元的左右单元的颜色进行混合；判断比例v_Percernt是否在反走样阈值范围内的具体步骤：如果比例v_Percent小于阈值aa_Buffer或者1-v_Percent的值大于阈值aa_Buffer，则将当前像素所在的单元的上下单元的颜色进行混合。

本发明的方法可以利用GPU可编程流水线和着色器中像素着色器能够遍历每一个像素的特点，按照符号自身的结构信息，在线要素绘制的边界上进行反走样处理，同时在线要素所绘制的符号内部也进行反走样处理，形成内外一致的线要素反走样处理方法，有效提高空间数据可视化的效率和效果。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是矢量线要素的边界反走样和内部反走样。

图3是基于符号结构的线型符号反走样方法原理。

图4是采用本发明方法绘制的矢量线要素反走样效果例图。(a)是常用铁路符号的反走样绘制效果；(b)是(a)中画框部分的放大图，显示在边界上的反走样效果；(c)是(a)中画框部分的放大图，显示在符号内部的反走样效果；(d)是另外一种常用铁路符号的反走样绘制效果；(e)是(d)中画框部分的放大图，显示在边界上的反走样效果；(f)是(d)中画框部分的放大图，显示在符号内部的反走样效果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

图1为本发明方法的流程图。该方法包括以下步骤：首先根据线宽构造三角化后的线Mesh，将沿线走向的U参数和垂直于线走向的V参数传递给Mesh中的每个顶点；接着根据需要填充的地图符号单元生成颜色结构表，确定反走样阈值，并将此颜色结构表、反走样阈值和U-V参数传递到Shader程序中；利用Shader语言，根据每个顶点的U-V值，判读当前像素是否在反走样阈值内，在阈值内则先进行U方向的反走样颜色混合计算，再进行V方向的反走样颜色混合计算；最后得到需要填充的颜色，对线要素进行逐像素绘制。

所谓内外一致的线要素反走样处理，就是在传统直线反走样方法只处理线外边界的基础上，根据需要绘制的符号结构，在符号内部也进行反走样绘制，如图2所示。而符号的结构信息主要是通过一个二维的颜色表来描述，同时对这个颜色表中的每个单元赋以宽度和高度等属性，基于该结构即可进行符号内部和外部的反走样，如图3所示。

本发明技术方案的具体说明如下：

A.首先遍历线要素中的每一个顶点，按照半个最大线宽向两边扩展，由此可以将一个线段扩展成一个矩形；利用矩形的四个顶点，组合生成相应的两个三角形；由一系列连续的线段可以生成连续的三角形集合。对于沿着线走向，往左边扩展出来的顶点，设定其V值为0；而往右边扩展出来的顶点，设定其V值为1。左右两边的扩展顶点的U值计算，是根据扩展顶点对应的线上的点与线的起始点计算长度，用长度除以线宽得到左右扩展顶点的U值。

B.对于需要沿线重复填充的符号单元，该符号首先从横向上被分为宽度一致的几列，对每一列再分为颜色一致的几行。不同列的宽度可以不同，但每一列中的每一行宽度相同；列中的不同行的颜色可以不同，但一行只能有一个颜色。由这些列-行(Column-Row)构成了一系列的单元(Cell)。每个Column被赋予宽度属性和行数属性，每个Row被赋予高度属性，每个Cell被赋予颜色值，整个符号颜色结构表被赋予总列数、总宽度和总高度属性。

C.通过GPU可编程流水线，将构造好的线三角网Mesh、需要绘制的符号颜色结构信息、反走样阈值传递到Shader程序中。

D.在所设计的Shader程序中，根据三角网Mesh顶点上的U-V值，可以利用GPU内置的光栅化方法得到每个像素的u'值(即该像素在水平方向上到线起点的距离)和v'值(即该像素在垂直方向上到线的上边界的距离)。利用这个u'值，首先去掉当前像素之前的所有符号，也就是将U值映射到单个符号的坐标系中；用公式U(p)＝u'-SL×[u'/SL]，可以得到当前像素距离符号最左侧的距离U(p)；其中SL是符号的总宽度，[u'/SL]是对u'/SL的值进行取下整数。利用这个U(p)值与所处于的Column的宽度相除，得到该像素在一个Cell中U方向所占的比例u_Percent。利用v'值，由于V值已经统一做过归一化，可以直接从颜色结构表得到所处的Row，利用这v'与所处于的Row的高度值相除，得到该像素在一个Cell的V方向所占的比例v_Percent。

E.在U方向上进行反走样处理：

E1.当前Cell位于整个线要素的起点或终点时，判断u_Percent是否在反走样阈值范围内，如果在阈值内，则用u_Percent来处理当前Cell颜色的透明度Alpha值，用Alpha乘以u_Percent则可以得到边界反走样颜色混合的效果。

E2.当前Cell的左右Cell颜色值相同时，不需要进行反走样处理。

E3.当前Cell的左右Cell颜色值不同时，判断u_Percent是否在反走样阈值范围内，如果在阈值内，则用u_Percent来处理当前Cell颜色和左边(或右边)Cell的颜色：用u_Percent乘以当前Cell的颜色，用1-u_Percent乘以左边(或右边)Cell的颜色，这两个颜色相加得到最终用于填充的颜色。

F.在V方向上进行反走样处理：

F1.当前Cell位于整个线要素的左边界或右边界时，判断v_Percent是否在反走样阈值范围内，如果在阈值内，则用v_Percent来处理当前Cell颜色的透明度Alpha值，用Alpha乘以v_Percent则可以得到边界反走样颜色混合的效果。

F2.当前Cell的上下Cell颜色值相同时,不需要进行反走样处理。

F3.当前Cell的上下Cell颜色值不同时，判断v_Percent是否在反走样阈值范围内，如果在阈值内，则用v_Percent来处理当前Cell颜色和上边(或下边)Cell的颜色：用v_Percent乘以当前Cell的颜色，用1-v_Percent乘以上边(或下边)Cell的颜色，这两个颜色相加得到最终用于填充的颜色。

G.在GPU中用加上反走样处理后的颜色对矢量线要素进行逐像素填充，得到最后的反走样绘制结果。

实施例：

相比于传统计算机可视化领域中的直线绘制，由于地图符号的复杂性，地图矢量线要素的绘制更为困难；传统的边界反走样方法难以满足地图符号内部绘制表达的要求。所以本发明设计了一种基于符号结构的线型地图符号反走样方法，来适应于不同地图符号的反走样绘制。如图4,两个典型的线型地图符号和其反走样绘制效果。

下面是用软件方法，在C++语言和OpenGL环境下，实现基于符号结构的线型地图符号反走样：

(1)定义结构体SymbolStructure表示符号结构：

(2)在Shader中定义一组变量用于传递符号颜色结构表信息：

#define MAX_COL_NUM 16//最多多少列

#define MAX_ROW_NUM 16//最多多少行

varying float vfU；//由顶点U值传递过来的u'值

varying float vfV；//由顶点U值传递过来的u'值

uniform int uiUseColNum；//一共有多少列

uniform float ufUseColWidth；//整个符号的宽度

uniform int uiUseRowNum[MAX_COL_NUM]；//每一列有多少行

uniform float ufColWidth[MAX_COL_NUM]；//每一列的宽度

uniform float ufRowHeight[MAX_COL_NUM*MAX_ROW_NUM]；//每一行的高度

uniform vec4uf4CellColor1[MAX_COL_NUM*MAX_ROW_NUM]；//颜色表

uniform float aabuffer；//反走样阈值

……

(3)在Shader中定义函数getColByU获取u_Percent，定义函数getRowByV获取v_Percent：

(4)在Shader中定义函数getCellColorByUV进行反走样颜色处理：

在确定像素颜色的Shader main函数中，首先调用getCellColorByUV，再在其中调用getColByU获取u_Percent，调用函数getRowByV获取v_Percent，利用两个比例值在getCellColorByUV中进行反走样颜色混合计算。

Claims (3)

1.基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法，其特征是，该方法包括下列步骤：

步骤1初始化需要绘制的线要素的点集序列，根据线宽生成需要绘制的三角形几何三角网：确定需要绘制的矢量线要素的线宽参数，遍历线要素中的每一个顶点，按照半个最大线宽向两边扩展，同时生成相应的三角形集合，并为每个三角形的每个顶点赋予沿线走向的长度值U值和垂直于线走向的长度值V值，即U-V值；最终得到最后一个顶点的U值作为整条线最大的U值MaxU；

步骤2确定需要沿线重复填充的符号单元的颜色结构表：将需要填充的符号单元按照纵向-横向的结构进行分解，用列优先的二维数组和相应的符号单元属性来结构化映射一个符号单元；

步骤3在着色器中根据符号颜色结构表确定当前像素的位置信息：在着色器中基于传递到着色器里面的顶点U-V值，动态确定每个像素的U-V值，即像素在水平方向上到线起点的距离u'值和像素在垂直方向上到线的上边界的距离v'值，由此确定每一个像素在符号颜色结构表中属于哪一个单元；根据所属单元的行列值，得到一个像素在沿线走向上占单元的比例u_Percent和在垂直于线走向上占单元的比例v_Percent；具体步骤为：在着色器中根据当前像素的u'值，利用公式U(p)＝u'-SL×[u'/SL]，计算其在符号颜色结构表中的位置，其中U(p)表示在颜色结构表中的U值，SL表达符号的总宽度，[u'/SL]表示对u'/SL的结果进行取整得到小于u'值的SL的整数倍；然后根据当前像素的v'值，迭代判断其在颜色结构表中所处的具体行，并结合U(p)值确定该像素在符号颜色结构表中所处的具体列；根据得到的具体行和列即可确定当前像素所处的单元；所述比例u_Percent的计算公式为：u_Percent＝U(p)/ColumnWidth，其中ColumnWidth为像素所在单元的宽度；所述比例v_Percent的计算公式为：v_Percent＝v'/RowHeight，其中RowHeight为像素所在单元的高度；

步骤4首先判断步骤3确定的比例u_Percent是否在反走样阈值范围内，如果在范围内则进行当前单元的左单元和右单元的颜色混合，判断的具体步骤为：设传到着色器里面的反走样阈值为aa_Buffer，如果比例u_Percent小于阈值aa_Buffer或者1-u_Percent的值大于阈值aa_Buffer，则将当前像素所在的单元的左右单元的颜色进行混合；再对比例v_Percent判断是否在反走样阈值范围内，如果在范围内则进行当前单元的上单元和下单元的颜色混合，判断的具体步骤：如果比例v_Percent小于阈值aa_Buffer或者1-v_Percent的值大于阈值aa_Buffer，则将当前像素所在的单元的上下单元的颜色进行混合；最后利用计算得到的颜色对线要素进行逐像素绘制。

2.根据权利要求1所述的基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法，其特征是，所述步骤1中，将V值从0至最大线宽的范围内归一化到0至1的范围内，U值通过每个顶点距离起始点的距离除以最大线宽得到。

3.根据权利要求1所述的基于符号结构的线型地图符号反走样绘制方法，其特征是，所述步骤2中，

A.符号的颜色结构表：将符号单元按照其结构分解为几个列，每一列都包含其相应的行，每一行只能包含一个颜色，由此形成一系列的颜色单元来映射特定的符号；

B.颜色结构表的单元属性：对于一个符号的颜色结构表，其每一列都包含相应的宽度属性和所包含的行数属性，每一行都包含相应的高度属性，每一列都包含一个布尔值来指明该列是否为背景列，整个颜色结构表包含总列数、总宽度和总高度属性。