CN111145301B - 顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法，包括以下步骤：对待绘制的线要素进行初始化，指定实线符号的端头样式和屏幕线宽，并指定世界坐标系和屏幕坐标系之间的转换规则。其次按照坐标转换规则将屏幕线宽转换为世界坐标系的线宽，在世界坐标系下对线要素进行三角化操作，并对端头进行矩形化处理。然后构建顾及线宽一致性的GPU状态协议，在CPU中组织状态协议内容并传递到GPU中。最终，在GPU中获取初始最大线宽和缩放系数等状态协议内容后进行保持线宽一致的实线符号端头绘制。本发明通过构建实线符号绘制的状态协议，驱动CPU‑GPU协同工作，使得不同端头样式都对应同一种矩形区域、减少三角形数量，进而实现高效地图矢量线要素绘制。

Description

顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法

技术领域

本发明涉及数字地图制图领域和地理信息系统领域的矢量线要素绘制方法，尤其涉及一种顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法。

背景技术

地图是将真实地理世界中各种空间实体信息传递给读图者的有效媒介，地图符号化既是对空间实体的抽象，也是将空间实体进行视觉表达的绘制手段。数字地图制图是通过计算机来进行地图的可视化表达，点、线和面要素的符号化绘制是生成数字地图的基础。其中，矢量线要素的符号化表达既要考虑线宽、颜色、线型等绘图要素，还需要考虑线要素的端头绘制。在线宽的作用下，线符号的端头会以面的形式呈现。为了视觉的美观，线的端头一般有平头形、方头形、圆头形、尖角形等。而随着地图比例尺的缩放，线的端头还需要进行保持线宽一致的绘制。实线符号作为表达矢量线要素的重要方法，通常用于表达道路中心线、河流网络、确定边界等。根据地图配图的需求，实线地图符号在诸多情况下都需要随地图缩放保持线宽，在此需求背景下，实线端头的处理也就尤为重要。

针对这种线宽一致性的绘图需求，现有的研究主要有两大类：

(1)基于纯软件绘制的方法。例如，论文《面向GIS的矢量线状符号填充算法研究》(张海泉,潘懋,吴焕萍,等.《地理与地理信息科学》,2004,20(04):11-14.)，给出了一种基于GDI+的纯软件绘制方法来表达矢量线要素。该种方法严格依赖于矢量线的屏幕坐标和屏幕宽度，当地图缩放时，需要不断的进行重新计算和绘制，严重降低了地图显示的效率。针对此效率低下的问题，后续的研究大多数集中于如何用硬件加速的方法，即GPU绘制的方法来实现矢量线符号的绘制。

(2)基于GPU绘制的方法。此类方法主要是研究如何通过GPU着色器(Shader)来绘制线符号。例如，论文《A function-based linear map symbol building and renderingmethod using shader language》(Yue SS,Yang JS,Chen M,等.《International Journalof Geographical Information Science》，2016,30(2):143-16)提出了一种利用OpenGLShader来构建线符号并用GPU绘制。该方法依赖于一个颜色二维数组来表达符号结构，整个方法中只是针对固定地图比例尺的线符号绘制，对于线宽的一致性问题并没有涉及。另外，此论文中对于线端头的处理粗暴的进行特定的三角化(此论文中的Fig 17)，增加了三角形集合的数量，也由此影响了绘制效率。而论文《一种基于屏幕的三维地图线状符号渲染方法》(刘君妍，陈雅茜，高亦远，等.《地球信息科学学报》，2018,20(8):1047-1054)提出了将矢量线要素映射成为纹理数据，通过纹理数据来绘制线；该方法主要是针对线要素与地形的融合，线要素的线宽处理明确是随着地图缩放而变化的。此外名称为“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，名为“基于GPU的宽度渐变线型地图符号绘制方法”(申请号201610015703.0)的中国专利，都是在分析GPU绘制矢量线要素难点的基础上，提出了用Shader着色器来绘制线符号的方法。但是这些方法都是针对固定比例尺的线符号绘制，当地图比例尺变化时，为了保持线宽不变，前述方法都需要重新三角化和绘制。反复不断的三角化对绘制效率具有明显的影响，由此造成了地图的缩放交互仍然存在效率瓶颈。

因而，如何同时满足(1)随着地图比例尺缩放保持线宽一致，(2)地图缩放时矢量线要素不需要重新进行三角化，(3)地图缩放时线要素端头不需要重新三角化，(4)不同的端头样式只需要一种三角化，是数字地图制图领域一个亟待解决的问题。对于最经常使用的实线符号而言，这种顾及线宽一致性的绘制需求在本质上依赖于CPU和GPU的协调工作。GPU的绘制是依赖于三角面片的，当一个矢量线被三角化为实线符号后，GPU只能拿到三角形坐标和颜色，整个绘制是无状态的。如何将实线符号的地图状态传递给GPU成为解决顾及线宽一致性绘制实线符号端头的关键。

发明内容

本发明的目的是在GPU绘制环境下，针对实线地图符号端头的线宽一致性绘制需求，提供一种能够在在地图缩放过程中不改变线宽、不重新三角化，实现不同端头样式都对应同一种矩形区域、减少三角形数量的顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法。

技术方案：一种顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法，包括：

步骤1、对矢量线要素的坐标序列进行初始化，设置以像素为单位的屏幕线宽，设置实线端头的样式。

步骤2、构建矢量线要素的世界坐标系和屏幕坐标系之间的转换规则，通过此规则将屏幕线宽转换为世界坐标系的线宽，根据此世界坐标系线宽：顺序遍历矢量线要素的每个坐标，由线生成三角形集合，其中每个三角形的每个顶点都具有沿线走向的U值和垂直线走向的V值，并且每个顶点还具有一个缩放方向向量D值；在矢量线要素的起点和终点处进行矩形化处理，为起点和终点构建宽高比为1:2的矩形。

步骤3、组装GPU着色器的状态协议：该状态协议包括两个层次，一个是顶点层，包括U值、V值、缩放方向D值，另一个结构层，包括最大线宽M值、地图比例缩放S值、端头样式C值，所述端头样式C值表明了不同的端头样式。

步骤4、在CPU中获取初始的世界坐标系线宽和地图比例尺缩放系数，并分别按照状态协议中的M值、S值和C值传递到GPU中，由此在GPU着色器中解析状态协议中的U、V、D、M、S、C值，动态计算当前实线端头需要绘制的像素位置，并最终完成绘制。

进一步的，所述步骤1中实线端头样式分为四种，分别为平头、方头、圆头和尖头，这四种样式与步骤3状态协议中的C值严格一一对应。

进一步的，所述步骤2中沿线走向的U值根据每个顶点沿着线要素的距离计算，其中起点扩张出来的两个顶点U值均为0，终点扩张出来的两个顶点U值均为整条线的长度除以线宽，其他点扩张出来的两个顶点U值均根据长度累积值除以线宽获得；垂直线走向的V值根据每个顶点向两侧扩张的距离计算，线要素上的每个点，其扩张出来的两个顶点位于线走向左侧的V为1，位于右侧的0；顶点缩放方向的D值是一个二维向量，指明了扩张出来的每个顶点与原始点之间的连接方向，并且不是一个归一化的向量，D值二维向量的长度是根据扩张顶点与原始点之间的距离计算获得的。

进一步的，所述步骤2中，端头的矩形化处理包括如下内容：

(1)矢量线要素的起点逆于线走向扩张半个线宽，再垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽，由此形成宽为半个线宽、高为一个线宽的矩形(宽高比1:2)；逆于线走向扩张出去的两个点：U值均为-0.5，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；起点垂直于线走向扩张出去的两个点：U值均为0，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0。

(2)矢量线要素的终点顺着线走向扩张半个线宽，再垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽，由此形成宽为半个线宽、高为一个线宽的矩形(宽高比1:2)，顺着线走向扩张出去的两个点：U值均为-0.5，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；终点垂直于线走向扩张出去的两个点：U值均为0，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0。

进一步的，所述步骤3中最大线宽M值是根据步骤2中计算获得的世界坐标系的线宽；地图比例缩放S值是随着地图比例尺缩放动态更新的比例值；端头样式C值是对应于平头、方头、圆头和尖头的四个标记值，四个标记值互不相同；状态协议按照U值、V值、D值、M值、S值、C值进行组织，其中U值和V值是一维浮点数、D值是二维浮点数、M值和S值是一维浮点数、C值也是一维浮点数，将U值、V值、D值按序组织成四维向量，将M值、S值、C值按序组织成三维向量，最终形成的状态协议由两个向量构成：U-V-D四维向量和M-S-C三维向量，顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制必须严格遵从此协议，在CPU和GPU之间进行消息传递时也必须严格依照此协议进行消息组装。

和现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明可以充分利用GPU硬件加速的绘制性能，突破GPU仅依靠坐标和颜色的无状态绘制局限，通过定制合理的状态协议，将矢量线的走向信息、线宽信息、端头样式信息、地图缩放比例信息在CPU和GPU之间传递。通过一个四维向量和一个三维向量的组合，能够有效的组装状态协议；按照U-V-D-M-S-C的结构能够方便的实现状态内容的获取，从而在GPU的着色器中进行保持线宽一致的实线端头绘制。相比于传统的方法，本发明能够在不重复三角化的基础上，定制清晰的状态协议，实现随着地图比例尺的缩放进行线宽一致的实线端头绘制，从而提升地图的绘制效率和效果。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是状态协议的基本结构；

图3是U值、V值和D值的说明，以及基于状态协议的矢量线要素三角化方法说明；

图4是M值和S值的说明，以及地图缩放后线宽处理的方法说明，其中灰色填充部分为真实绘制的线宽，外层虚线部分为原始不处理前的绘制区域(即一开始三角化的结果)；

图5是端头矩形化处理的说明；(a)端头处的D值说明，(b)端头处的U-V值说明；

图6是端头C值的说明；

图7是利用本发明的方法绘制结果示意图，(a)小比例尺圆头形端头，(b)小比例尺方头形端头，(c)小比例尺尖角形端头，(d)小比例尺平头形端头，(e)大比例尺圆头形端头，(f)大比例尺方头形端头，(g)大比例尺尖角形端头，(h)大比例尺平头形端头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

图1为本发明方法的流程图。该方法包括以下步骤：首先对待绘制的矢量线要素进行初始化，指定需要在屏幕上呈现的线宽(像素单位)，指定矢量线要素的端头样式，并确定矢量线要素的世界坐标系和屏幕坐标系之间的转换规则。接着，按照坐标转换规则将屏幕线宽转换为世界坐标系的线宽，并在世界坐标系下对矢量线要素进行三角化操作，同时对矢量线要素的端头进行矩形化处理。然后，按照所构建的顾及线宽一致性的GPU状态协议，在CPU中获取地图缩放比例系数、初始线宽大小、端头样式等信息，并利用状态协议传递到GPU中。最终，在GPU中获取初始最大线宽、缩放系数和端头样式等状态后进行保持线宽一致的实线符号端头绘制。

在GPU绘制环境下，三角化是将矢量线要素进行实线符号化绘制的关键。GPU着色器获取三角形序列，通过三角形的坐标和颜色来在屏幕上呈现待绘制对象。本质上，GPU的绘制流水线是一种无状态的过程，矢量线的线宽相关信息无法从CPU直接传递给GPU。对于实线符号而言，其需要沿着线的走向、按照确定的线宽进行绘制。基于此需求，本发明设计了一种面向实线符号保持线宽一致性绘制的状态协议。CPU中需要按照此状态协议组织信息，GPU中需要按照此状态协议解析信息。

状态协议包含两个层面，一个是顶点层的U值，V值和D值，另一个是结构层的M值、S值和C值，如图2所示；U值、V值、D值、M值、S值和C值的内涵和计算方法在后续几个段落阐述。U值和V值分别是两个浮点型float数值，D值是一个二维向量，其具有X和Y方向的分量D(x)和D(y)。M值、S值和C值是三个浮点型的数值。U-V-D三个值被组装成一个四维向量，M、S和C三个值被组装成一个三维向量。因此，面向实线符号端头的线宽一致性绘制，CPU和GPU之间的信息传递就依赖于四维向量和二维向量的组合。之所以将U-V-D组装成一个四维向量、将M-S-C组装成一个三维向量，是为了在CPU-GPU信息传递过程中尽可能减少信息交互的次数，批量进行传递。

对于U-V-D值而言，在图3中给出了相关的计算方法。U-V-D值是附加在每个扩展顶点上的。扩展顶点是指依据矢量线要素上的任一点，按照垂直与线走向的方向分别向两边进行扩张后得到的顶点；其中，扩张距离是线宽的一半(世界坐标系的线宽)。扩张顶点可以分为左侧点和右侧点(根据沿线走向来确定)。如图3所示，所有右侧顶点的V值都是0，所有左侧顶点的V值都是1。任一个扩张顶点的U值都是通过计算其所关联的点与起始点之间的距离得到。起始点的两个扩张顶点的U值都是0，终止点的两个扩张顶点的U值都是整个矢量线的长度除以线宽。起始点与终止点中间的任一点都是按照累积距离除以线宽得到。D值是表明扩张顶点方向的二维向量，该向量是依据扩张顶点与关联点获得。需要注意的是，D向量不能进行归一化，其向量长度就是扩张顶点与关联点之间的长度。

特别的，对于矢量线要素两个端点的U-V-D值而言，起点和终点处均需要进行矩形化处理，如图3中两侧的阴影区域。端头的矩形化处理是指：将起点逆着线走向扩张半个线宽、再垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽得到两个点，将起点垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽得到两个点，一共四个点构成一个宽高比为1:2的矩形；将终点沿着线走向扩张半个线宽、再垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽，将终点垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽得到两个点，一共四个点构成一个宽高比为1:2的矩形。如图4所示，起点为A点，矩形化处理后得到的四个点分别是左侧点A1、右侧点A1，左侧点A2、右侧点A2，这四个点的U-V值分别是(0,1)、(0,0)、(-0.5,1)和(-0.5,0)；这四个点的D值分别是各自与A点之间的方向向量。终点C与起点A的处理方法一致。

对于M-S-C值而言，M值是在初始地图比例尺下显示的最大线宽的值，S值是相对于初始地图比例尺的缩放系数,C值是指定端头样式的枚举值。如图5所示，在GPU中解析状态协议里面的M-S-C值，利用以下公式重新计算任一扩张顶点的坐标：X＝D(x)*M*(1.0-S)/2.0，Y＝D(y)*M*(1.0-S)/2.0。D(x)和D(y)分别表示顶点方向向量的X分量和Y分量。在GPU中结合D值、M值和S值，动态计算每个点真正需要绘制的位置。在图4中外部虚线部分为初始比例尺下需要绘制的区域，中间灰色填充部分为缩放比例尺之后需要绘制的区域。可以看出初始区域大，大比例尺区域小；因为在大比例尺下，矢量线要素的扩张顶点直接转换为屏幕坐标后会比初始比例尺大，所以通过D向量和M-S值来控制扩张顶点向内收缩，从而达到一致线宽的绘制效果。

对于端头处的C值，图6给出了在GPU中处理的工艺。本发明定制了四种端头样式：(a)圆头形，(b)方头形，(c)尖角形和(d)平头形。这四种端头样式都统一对应同一个矩形区域，相比于传统方法的优势是不需要重新三角化。对于(a)圆头形端头，需要绘制的区域是根据以下公式确定：(u*u)+(v-0.5)*(v-0.5)<＝0.5*0.5；也就是任一点的U-V值与[0,0.5]之间的距离小于0.5即需要绘制。对于(b)方头形端头，需要绘制的区域是根据以下公式确定：U>＝-0.5,0<V<1.0；也就是整个矩形区域都需要绘制。对于(c)尖角形端头，需要绘制的区域是根据以下公式确定：|V-0.5|<(-U-0.5)；也就是在三角形区域内进行绘制。对于(d)平头形端头，整个矩形区域都不需要绘制。

在图7中给出了两个不同地图比例尺，实线符号不同端头样式的绘制效果。上排是小比例尺，(a)为小比例尺圆头形端头，(b)为小比例尺方头形端头，(c)为小比例尺尖角形端头，(d)为小比例尺平头形端头，下排是大比例尺，(e)为大比例尺圆头形端头，(f)为大比例尺方头形端头，(g)为大比例尺尖角形端头，(h)为大比例尺平头形端头，可以看出小比例尺和大比例尺的绘制效果在线宽方面是一致的。

实施例：

相比于传统计算机可视化领域中的实线绘制，地图绘制中的实线符号需要考虑地图比例尺的变化。GPU绘制环境下，仅通过三角形集合的坐标和颜色来控制绘制流程，无法满足保持线宽一致性的需求。所以本发明设计了一种CPU-GPU状态协议，通过此协议将线宽相关的信息打包传递给GPU，在GPU中能够有序解析这些信息，从而达到顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制。

以下是利用OpenGL Shader给出了本发明的实施例：

(1)GPU状态协议结构

(2)CPU状态协议结构

Claims (2)

1.一种顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1、对矢量线要素的坐标序列进行初始化，设置以像素为单位的屏幕线宽，设置实线端头样式；

步骤2、构建矢量线要素的世界坐标系和屏幕坐标系之间的转换规则，通过此规则将屏幕线宽转换为世界坐标系的线宽，根据此世界坐标系线宽：顺序遍历矢量线要素的每个坐标，由线生成三角形集合，其中每个三角形的每个顶点都具有沿线走向的U值和垂直线走向的V值，并且每个顶点还具有一个缩放方向D值；在矢量线要素的起点和终点处进行矩形化处理，为起点和终点构建宽高比为1:2的矩形；

步骤3、组装GPU着色器的状态协议：该状态协议包括两个层次，一个是由U值、V值和缩放方向D值构成的顶点层，另一个是由最大线宽M值、地图比例缩放S值和端头样式C值构成的结构层；所述端头样式C值表明了不同的端头样式，不同的端头式样一一对应于不同的端头样式C值；

步骤4、在CPU中获取初始的世界坐标系线宽和地图比例尺缩放系数，并分别按照状态协议中的M值、S值和C值传递到GPU中，由此在GPU着色器中解析状态协议中的U值、V值、D值、M值、S值、C值，动态计算当前实线端头需要绘制的像素位置，并完成绘制；

所述实线端头样式包括平头、方头、圆头和尖头；

所述步骤2中，沿线走向的U值根据每个顶点沿着线要素的距离计算获得，其中起点扩张出来的两个顶点U值均为0，终点扩张出来的两个顶点U值均为整条线的长度除以线宽，其他点扩张出来的两个顶点U值均为长度累积值除以线宽；垂直线走向的V值根据每个顶点向两侧扩张的距离计算获得，线要素上的每个点，其扩张出来的两个顶点位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；缩放方向D值是一个二维向量，该二维向量的长度根据扩张顶点与原始点之间的距离计算获得；

所述步骤2中，端头的矩形化处理包括如下内容：

(1)矢量线要素的起点逆于线走向扩张半个线宽，再垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽，由此形成宽为半个线宽、高为一个线宽的矩形；逆于线走向扩张出去的两个点：U值均为-0.5，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；起点垂直于线走向扩张出去的两个点：U值均为0，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；

(2)矢量线要素的终点顺着线走向扩张半个线宽，再垂直于线走向分别向两侧扩张半个线宽，由此形成宽为半个线宽、高为一个线宽的矩形，顺着线走向扩张出去的两个点：U值均为-0.5，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；终点垂直于线走向扩张出去的两个点：U值均为0，位于线走向左侧的V值为1，位于右侧的V值为0；

所述步骤3中，最大线宽M值为世界坐标系的线宽；地图比例缩放S值为随着地图比例尺缩放动态更新的比例值。

2.根据权利要求1所述的顾及线宽一致性的矢量地图实线符号端头绘制方法，其特征在于，所述步骤3中，状态协议按照U值、V值、D值、M值、S值、C值进行组织，其中U值和V值是一维浮点数、D值是二维浮点数、M值和S值是一维浮点数、C值也是一维浮点数，将U值、V值、D值按序组织成四维向量，将M值、S值、C值按序组织成三维向量，最终形成的状态协议由两个向量构成：U-V-D四维向量和M-S-C三维向量。