[发明专利]矢量实线与三维地形的并行贴合渲染方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机应用、计算机图形学和地理信息技术领域，具体涉及一种二维矢量实线在三维地形表面的并行贴合渲染方法，可将二维矢量实线渲染于三维地形表面，将二维矢量实线的展示空间从二维平面向三维不规则面拓展，使得三维地理信息系统兼具对地形的真实感表达以及对线形空间规律的抽象表达能力，增强其在交互过程中的可读性。

背景技术

由Mikael Vaaraniemi等人在《High-Quality Cartographic Roads on High-Resolution DEMs》(高分辨率DEM基础上的高质量道路符号渲染)中提出现有二维矢量要素在三维地形表面的贴合渲染算法大体分为三类：基于纹理映射的渲染方法、基于几何映射的渲染方法以及基于模板阴影体的渲染方法。

●基于纹理映射的渲染方法

此类方法的核心思想是将矢量数据通过实时或者预处理的方式栅格化到一张二维图像上，然后将其作为标准纹理直接映射到地形表面，从而保证矢量数据与地形的无缝贴合。

该方法通过预先计算生成静态纹理的方法，可以获得较高的渲染精度，但会占用大量存储空间，因而需要在存储空间与渲染质量之间寻求平衡。由于只能生成有限分辨率层次的纹理，在大场景缩放过程中，矢量数据的绘制精度受限，出现比较严重的走样现象。基于纹理映射的方法在碰到陡坡地形时，平面二维矢量在栅格化之后由于不能自动调整分辨率会被局部地形的陡然拉伸造成不合理变形。此外，有限的纹理分辨率层次也会造成在场景缩放时与地表的不完美匹配。

●基于几何映射的渲染方法

此类方法的关键是实现二维矢量与三维地形的精确几何匹配，适应地形三角网结构以及细节层次技术(Level of Detail，LOD)的数据组织方式，以避免出现矢量数据悬浮于空中或者穿插地表等不合理情况。

基本的解决方法是通过动态计算矢量要素经过路线所涉及的地表坡度拐点，并据以在矢量数据中引入对应的新顶点或建立新线段，以实现矢量要素随着地形坡度变化的同步起伏。对于矢量要素起伏特征点的寻找极度依赖地形表达模型，且非常难以做到任何尺度下的精确匹配，容易出现矢量要素断续、悬浮在共面图元之上，或者淹没于共面图元之下等现象。在预处理阶段将矢量数据集成到地形LOD模型中的方法(即针对地形的每个细节层次创建一个与之相对应的矢量几何模型)会导致数据量的显著增加。

●基于模板阴影体的渲染方法

为解决纹理映射方法渲染走样问题，同时避免几何映射方法对地形模型的依赖，Schneider和Klein在“Efficient and accurate rendering of vector data on virtual landscapes”(一种将矢量精确渲染到虚拟地表的方法)中提出了基于阴影体算法和模板缓存技术的模板阴影体方法。

方法核心思想有三步：首先将矢量数据沿垂直投影方向扩展为多面体；然后利用生成的多面体通过阴影体算法在模板缓存中生成掩模；最后将掩模添加到三维场景中，完成代表相应矢量数据的屏幕像素着色。此方法对宽度为1个像素的实线要素的渲染有局限性，且算法需要对矢量扩展而成的多面体绘制2遍，会较大程度上影响数据的实时显示。若三维场景中深度值变化范围很大，则会导致远处矢量线的宽度与距离视点近的位置差别明显。若保留远处矢量线渲染效果，则近处矢量线会失真；若保证近处矢量线渲染效果，则远处矢量线会断续。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种将二维矢量实线在三维地形表面进行贴合渲染的方法，在能够消除矢量在三维地形表面的悬浮、穿刺、断续等现象的同时，具有贴合紧密、精度高等特点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种矢量实线与三维地形的并行贴合渲染方法，该方法通过CPU+GPU异构计算方式完成图像的并行渲染，包括如下步骤：

第一步：检测渲染图像中的地形轮廓线，为其邻域内会引起误判的像素建立一个“避免着色像素表”，针对该表中的像素将不作着色修改，后续步骤中的计算或处理均不针对该表中的像素进行；

第二步：为二维矢量实线建立空间索引，以提高后续步骤中空间关系的判断性能；

第三步：建立一个与屏幕大小相同的“矢量着色缓冲区”，以暂存矢量着色效果；