CN113177172A - 基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，包括下述步骤：(1)遍历模型中的所有文字对象，构建字符hash表；(2)采用Canvas绘制hash表中每个字符，并计算SDF信息，生成SDF纹理图片，记录每个字符的纹理坐标值；(3)创建着色器材质对象，在片元着色器里实现基于SDF的着色，SDF图片作为输入纹理；(4)依据文字的几何位置、大小和颜色构建geometry对象，每个字符用两个三角面片构成的矩形表示；(5)合并材质相同的geometry对象创建显示mesh对象，加入到场景树中进行绘制。本发明不仅能高效绘制大批量文字，在缩放时保持清晰的文字效果，而且可以满足各种字体显示需求。
Description
技术领域
本发明属于计算机图形Web显示技术领域，具体地说是涉及一种基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法。
背景技术
随着HTML5/WebGL技术的发展和成熟，为我们在Web和移动端显示CAD模型和图纸提供了新的选择。WebGL将OpenGL ES与JavaScript结合，可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，提供了基于浏览器的无插件三维渲染跨平台方案，越来越广泛的用于在Web上进行三维模型和二维图纸的轻量化展示和交互。三维CAD模型的产品制造信息(PMI)、二维工程图纸中常含有大量的文字信息，如何对这些字体、样式、大小都有可能不同的大批量文字进行高效渲染，并支持缩放操作是一个难点。WebGL本身没有提供直接进行文字绘制的接口，而且不能直接访问系统字体，目前在网页三维场景里渲染文字的方式有下面几种：
(1)使用DOM API添加HTML元素来表示文字，将三维坐标点投影到屏幕坐标作为文字的位置，每次相机或坐标变化时需要重新计算文字元素的屏幕坐标。这种方式适用于数量不大、大小固定的静态文本的展示，当文本数量变多时交互性能会很差，不适合CAD模型和图纸里大批量文字的显示。
(2)从字体文件中获取文字的矢量几何表示，创建文字的三维显示网格。这种方式文字直接成为三维场景里的几何对象，能很好的适应缩放、平移、旋转等视图交互操作，但每个文字都包含很多的三角面，场景里文字数量很多时，三角面的数量会急剧增加，从而加大渲染的负担,引起卡顿现象。
(3)使用文字位图贴图，将字符集预渲染到一张或多张图片上，记录每个字符的位置，场景中的每个文字用一个矩形表示，将文字图片作为纹理贴到文字对象上。这种方式在绘制大批量文字时有很高的性能，但只适合固定大小的文字显示，位图字体不适合缩放，放大时会产生明显的锯齿效果。
(4)使用基于Signed Distance Field(有向距离场，以下简称SDF)的矢量信息保存和渲染方法，可以很好的解决位图字体缩放时产生的模糊问题。SDF方法通过将字体位图中每个像素存储的颜色值换成距离文字边缘的最短距离，当像素在文字内，则用正数距离，在文字外则用负数距离，文字边缘距离则是零，这样就通过矢量距离描述了字符中的边缘，在着色器中，通过光滑插值对边缘处做平滑处理，就可以轻易化解边缘问题。SDF的计算是个耗时的过程，该方法一般需要事先对字符集生成SDF图，如果只是英文还好，字母加字符也就几十的数量，便于提前生成一张SDF纹理图片，但是中文汉字常用就有6000多个，提前生成SDF图片会很大，而且对不同字体要生成不同的图片，加大网页端显示时的加载开销和内存显存开销。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，解决了使用WebGL技术在网页端查看CAD模型和图纸时因存在大量文字而导致模型在显示、移动、缩放等交互浏览时出现的明显卡顿问题。
本发明基于活字印刷思想，在加载模型时采用HTML5 canvas渲染和快速欧氏距离计算方法实时生成包含当前模型使用字符的SDF纹理图片，以纹理贴图方式基于SDF信息绘制文字，不仅能高效绘制大批量文字，并在缩放时保持清晰的文字效果，而且HTML5 canvas能直接使用系统字体，不需额外加载庞大的字体文件，满足各种字体显示需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，包括下述步骤：
(1)遍历模型中的所有文字对象，构建字符hash表；
(2)采用Canvas绘制hash表中每个字符，并计算SDF信息，生成SDF纹理图片，记录每个字符的纹理坐标值；
(3)创建着色器材质对象，在片元着色器里实现基于SDF的着色，SDF图片作为输入纹理；
(4)依据文字的几何位置、大小和颜色构建geometry对象，每个字符用两个三角面片构成的矩形表示；
(5)合并材质相同的geometry对象创建显示mesh对象，加入到场景树中进行绘制。
作为优选，步骤(1)具体为：
(1-1)将字体按正常、加粗、斜体、斜体加粗分为四种，每种对应一张hash表；
(1-2)遍历获取模型里的每一个字符串对象及其对应的字体信息，找到这个字符串对应的hash表；
(1-3)遍历每一个字符，以“字体名+字符”作为键值，判断是否在hash表已存在，没有则加入hash表。
作为优选，步骤(2)具体为：
(2-1)根据hash表中字符的个数计算SDF图片的大小，并创建一张图片；
(2-2)遍历每个字符：
(i)根据hash表类型和字符字体，设置canvas画笔样式，绘制字符到canvas；
(ii)从canvas获取字符位图像素值，采用Felzenszwalb等提出的欧式距离转换算法计算每个像素的SDF值，该算法可在线性时间内进行；
(iii)计算当前字符在SDF图片中的位置，拷贝字符每个像素的SDF值到SDF图片中，SDF值只保存在图片的alpha分量中；
(iv)记录字符矩形四个角点在SDF图片中的纹理坐标值，作为字符对应的hash值存到hash表中；
(2-3)每个hash表对应生成一张SDF图片，最多生成四张SDF图片，分别对应正常、加粗、斜体、斜体加粗四种字符表，如果某个hash表的大小为0则不生成SDF图片。
作为优选，步骤(3)具体为：
(3-1)根据SDF图片的数量创建相应数量的着色器材质对象，每个材质绑定相应的SDF图片，作为输入纹理对象；
(3-2)在片元着色器里对每个像素获取距离值，通过光滑插值在边缘处做平滑处理，消除字体边缘处的锯齿问题。
作为优选，步骤(4)具体为：
(4-1)根据字体大小来决定字符矩形的高度，对于非中文字符，由字符本身的像素宽度来计算宽高比例，从而来决定字符矩形的宽度；中文字符是等宽字符，字符矩形的宽高相等；
(4-2)根据文字的位置、宽高信息计算字符矩形四个顶点的position值；
(4-3)根据文字的颜色设置字符矩形顶点的color值；
(4-4)从字符hash表中获取字符对应的纹理坐标值设置字符矩形顶点的uv值；
(4-5)如果设置为双面渲染，从反面看过来也能看见和正面一样的内容，就要在相同的位置再反过来构建一个geometry对象。
作为优选，步骤(5)具体为：
(5-1)创建文字geometry对象的时候，以材质为区分，分别放入不同的数组里面；
(5-2)进一步合并材质相同的多个geometry对象的position、uv、color元素值生成一个新的geometry，并创建一个显示mesh对象加入到场景中。
本发明的有益效果在于：
本发明采用HTML5 canvas渲染和线性时间的快速距离场计算方法实时生成包含当前模型使用字符的SDF纹理图片，并以纹理贴图方式基于SDF信息绘制文字，用有向距离场表示的矢量信息替代位图里的颜色值，兼具位图法绘制文字的高效性和矢量表示法的抗缩放性，通过canvas能直接使用系统字体，适应英文、中文等各种字体文字的绘制，且不再需要事先准备包含字体所有文字的大纹理图片，能高效的在网页三维场景里绘制大批量字体、样式、颜色各异的文字，并保持良好的缩放效果；本发明不仅能高效绘制大批量文字，在缩放时保持清晰的文字效果，而且可以满足各种字体显示需求。
附图说明
图1是本发明的操作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。
参照图1，一种基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，包括下述步骤：
(1)遍历模型中的所有文字对象，构建字符hash表：
(1-1)将字体按正常、加粗、斜体、斜体加粗分为四种，每种对应一张hash表；
(1-2)遍历获取模型里的每一个字符串对象及其对应的字体信息，找到这个字符串对应的hash表；
(1-3)遍历每一个字符，以“字体名+字符”作为键值，判断是否在hash表已存在，没有则加入hash表。
(2)采用Canvas绘制hash表中每个字符，并计算SDF信息，生成SDF纹理图片，记录每个字符的纹理坐标值：
(2-1)根据hash表中字符的个数计算SDF图片的大小，并创建一张图片；
(2-2)遍历每个字符：
(i)根据hash表类型和字符字体，设置canvas画笔样式，绘制字符到canvas；
(ii)从canvas获取字符位图像素值，采用Felzenszwalb等提出的欧式距离转换算法计算每个像素的SDF值，该算法可在线性时间内进行；
(iii)计算当前字符在SDF图片中的位置，拷贝字符每个像素的SDF值到SDF图片中，SDF值只保存在图片的alpha分量中；
(iv)记录字符矩形四个角点在SDF图片中的纹理坐标值，作为字符对应的hash值存到hash表中；
(2-3)每个hash表对应生成一张SDF图片，最多生成四张SDF图片，分别对应正常、加粗、斜体、斜体加粗四种字符表，如果某个hash表的大小为0则不生成SDF图片。
(3)创建着色器材质对象，在片元着色器里实现基于SDF的着色，SDF图片作为输入纹理：
(3-1)根据SDF图片的数量创建相应数量的着色器材质对象，每个材质绑定相应的SDF图片，作为输入纹理对象；
(3-2)在片元着色器里对每个像素获取距离值，通过光滑插值在边缘处做平滑处理，消除字体边缘处的锯齿问题。
(4)依据文字的几何位置、大小和颜色构建geometry对象，每个字符用两个三角面片构成的矩形表示：
(4-1)根据字体大小来决定字符矩形的高度，对于非中文字符，由字符本身的像素宽度来计算宽高比例，从而来决定字符矩形的宽度；中文字符是等宽字符，字符矩形的宽高相等；
(4-2)根据文字的位置、宽高信息计算字符矩形四个顶点的position值；
(4-3)根据文字的颜色设置字符矩形顶点的color值；
(4-4)从字符hash表中获取字符对应的纹理坐标值设置字符矩形顶点的uv值；
(4-5)如果设置为双面渲染，从反面看过来也能看见和正面一样的内容，就要在相同的位置再反过来构建一个geometry对象。
(5)合并材质相同的geometry对象创建显示mesh对象，加入到场景树中进行绘制：
(5-1)创建文字geometry对象的时候，以材质为区分，分别放入不同的数组里面；
(5-2)进一步合并材质相同的多个geometry对象的position、uv、color元素值生成一个新的geometry，并创建一个显示mesh对象加入到场景中，以减少渲染的批次，提高渲染效率。
本发明采用HTML5 canvas渲染和线性时间的快速距离场计算方法实时生成包含当前模型使用字符的SDF纹理图片，并以纹理贴图方式基于SDF信息绘制文字，用有向距离场表示的矢量信息替代位图里的颜色值，兼具位图法绘制文字的高效性和矢量表示法的抗缩放性，通过canvas能直接使用系统字体，适应英文、中文等各种字体文字的绘制，且不再需要事先准备包含字体所有文字的大纹理图片，能高效的在网页三维场景里绘制大批量字体、样式、颜色各异的文字，并保持良好的缩放效果。本发明在i5 CPU、8G内存、2G独显PC上，实测显示内含1万多文字的大型dwg套图模型时，显示帧率可达50FPS。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的具体实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，凡依本发明申请范围所做出的若干变形与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)遍历模型中的所有文字对象，构建字符hash表；
(2)采用Canvas绘制hash表中每个字符，并计算SDF信息，生成SDF纹理图片，记录每个字符的纹理坐标值；
(3)创建着色器材质对象，在片元着色器里实现基于SDF的着色，SDF图片作为输入纹理；
(4)依据文字的几何位置、大小和颜色构建geometry对象，每个字符用两个三角面片构成的矩形表示；
(5)合并材质相同的geometry对象创建显示mesh对象，加入到场景树中进行绘制。
2.根据权利要求1所述基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，其特征在于步骤(1)具体为：
(1-1)将字体按正常、加粗、斜体、斜体加粗分为四种，每种对应一张hash表；
(1-2)遍历获取模型里的每一个字符串对象及其对应的字体信息，找到这个字符串对应的hash表；
(1-3)遍历每一个字符，以“字体名+字符”作为键值，判断是否在hash表已存在，没有则加入hash表。
3.根据权利要求2所述基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，其特征在于步骤(2)具体为：
(2-1)根据hash表中字符的个数计算SDF图片的大小，并创建一张图片；
(2-2)遍历每个字符：
(i)根据hash表类型和字符字体，设置canvas画笔样式，绘制字符到canvas；
(ii)从canvas获取字符位图像素值，采用Felzenszwalb等提出的欧式距离转换算法计算每个像素的SDF值；
(iii)计算当前字符在SDF图片中的位置，拷贝字符每个像素的SDF值到SDF图片中，SDF值只保存在图片的alpha分量中；
(iv)记录字符矩形四个角点在SDF图片中的纹理坐标值，作为字符对应的hash值存到hash表中；
(2-3)每个hash表对应生成一张SDF图片，最多生成四张SDF图片，分别对应正常、加粗、斜体、斜体加粗四种字符表，如果某个hash表的大小为0则不生成SDF图片。
4.根据权利要求3所述基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，其特征在于步骤(3)具体为：
(3-1)根据SDF图片的数量创建相应数量的着色器材质对象，每个材质绑定相应的SDF图片，作为输入纹理对象；
(3-2)在片元着色器里对每个像素获取距离值，通过光滑插值在边缘处做平滑处理，消除字体边缘处的锯齿问题。
5.根据权利要求4所述基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，其特征在于步骤(4)具体为：
(4-1)根据字体大小来决定字符矩形的高度，对于非中文字符，由字符本身的像素宽度来计算宽高比例，从而来决定字符矩形的宽度；中文字符是等宽字符，字符矩形的宽高相等；
(4-2)根据文字的位置、宽高信息计算字符矩形四个顶点的position值；
(4-3)根据文字的颜色设置字符矩形顶点的color值；
(4-4)从字符hash表中获取字符对应的纹理坐标值设置字符矩形顶点的uv值；
(4-5)如果设置为双面渲染，从反面看过来也能看见和正面一样的内容，就要在相同的位置再反过来构建一个geometry对象。
6.根据权利要求5所述基于WebGL的大批量三维文字高效显示的方法，其特征在于步骤(5)具体为：
(5-1)创建文字geometry对象的时候，以材质为区分，分别放入不同的数组里面；
(5-2)进一步合并材质相同的多个geometry对象的position、uv、color元素值生成一个新的geometry，并创建一个显示mesh对象加入到场景中,减少渲染的批次，提高渲染效率。
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