典型线状符号在三维地形表面的渲染与效果优化方法

发布时间：2017-05-21 22:12

  本文关键词：典型线状符号在三维地形表面的渲染与效果优化方法，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在二维地图学与地理信息系统(GIS)中,矢量地图符号具有选择性增强空间对象和抽象化概括空间规律的重要作用。在三维GIS中,叠加数字正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)的可交互虚拟地理场景比平面地图涵盖的地理现象更多且更复杂。因此,三维GIS需要引入矢量地图符号(道路、水系、居民地等)对重点地物信息进行语义上的综合概括和视觉上的突出表达。然而,将矢量要素贴合渲染在三维地形模型表面不再像二维地图符号绘制那么简单,尤其是几何形态和颜色样式相对复杂的线状要素,很容易出现渲染方面的视觉误差,造成制图者意图传达的信息与读图者实际接收到的信息不对等。例如线符号穿刺或悬浮于地形表面的现象、线符号边缘锯齿状走样现象、具有周期性变化样式的线的各周期长度视觉分布不均现象、视点远处较细线的断续消失现象以及场景实时交互性能过低等,都易造成上文提到的信息不对等。本研究在国家自然科学基金面上项目——“典型二维矢量地图要素在三维地形表面的贴合渲染算法研究”(41371365)的支持下,提出了一种基于屏幕像素投影反算的矢量渲染与优化方法。方法针对几种典型的具有周期性变化样式的线状符号,实现其在三维地形表面的精确贴合渲染,避免常规方法出现的视觉误差。在CPU预处理阶段,研究提出了基于地表铺展长度的周期划分策略,建立了空间索引算法；在GPU实时渲染阶段,研究提出了将像素由屏幕空间向二维矢量平面投影,根据其与矢量的位置关系决定着色的思路,以及适合于此情况下的像素反走样算法。特别的,方法采用了GPU并行对渲染过程进行了加速。论文的主要研究内容如下：(1)矢量数据预处理阶段,针对几种具有周期变化特征的线状要素,研究其周期长度在起伏的三维地形表面的合理长度分布方法,及其符号样式的二维几何构建方法；研究线符号的面状化、圆角过渡和暗边构建方法；研究矢量图形的快速空间索引方法；(2)在实时渲染阶段,研究屏幕空间和矢量空间的坐标变换关系,将像素由屏幕坐标变换为矢量平面坐标内的四边形覆盖范围；对投影过程可能产生的投影空间不连续问题研究其解决方法；(3)在像素投影变换过程中,研究像素的多重采样策略；研究屏幕像素分类方法以排除不需要进行采样的部分像素；通过变换采样空间避免采样点的位置偏差；研究适用于此情况的采样点着色方法；(4)考虑到像素计算的同质性和屏幕空间的可分块性,研究使用GPU并行手段对渲染过程予以实现；研究CPU与GPU协作计算流程；研究合适并行分块数量和线程数量以达到性能最优。经试验测试,使用本研究提出的方法渲染的线符号具有精确贴合地形、周期分布合理、视觉效果美观、消除悬浮现象、避免走样误差等特点。此外,由于设计使用了GPU并行加速算法,方法在渲染较大规模地理场景上达到了可交互级别的运行性能。
【关键词】：三维GIS 矢量地图符号 屏幕渲染 多重采样 并行计算
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P208
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1. 研究意义与背景14-15
• 1.2. 国内外研究进展15-21
• 1.2.1. 二维线状符号的地图绘制方法15-16
• 1.2.2. 矢量在三维地表的叠加绘制方法16-19
• 1.2.3. 屏幕图形绘制效果与性能优化方法19-21
• 1.3. 研究内容与技术路线21-22
• 1.4. 论文组织22-24
• 第二章 数据预处理方法24-40
• 2.1. 实验数据介绍24-25
• 2.1.1. 地形数据24
• 2.1.2. 矢量数据24-25
• 2.2. 线要素的面状化处理25-28
• 2.2.1. 圆角过渡处理26-27
• 2.2.2. 暗边处理27-28
• 2.3. 基于铺展长度的周期划分28-35
• 2.3.1. 地表铺展长度计算29-30
• 2.3.2. 线的铺展周期划分算法30-32
• 2.3.3. 周期样式生成32-35
• 2.4. 矢量空间索引算法35-39
• 2.4.1. 空间索引建立36-38
• 2.4.2. 线的细分处理38-39
• 本章小结39-40
• 第三章 周期性线符号的渲染与优化方法40-56
• 3.1. 空间投影关系40-43
• 3.1.1. 空间坐标系统40-42
• 3.1.2. 变换矩阵计算42-43
• 3.2. 像素着色方法43-48
• 3.2.1. 投影位置判断44-46
• 3.2.2. 投影空间的连续化46-47
• 3.2.3. 像素偏移的消除47-48
• 3.3. 反走样优化48-54
• 3.3.1. 屏幕多重采样49-50
• 3.3.2. 边缘像素提取50-51
• 3.3.3. 采样空间变换51-52
• 3.3.4. 采样点着色方法52-54
• 本章小结54-56
• 第四章 并行加速算法设计与测试56-74
• 4.1. GPU并行加速算法设计56-60
• 4.1.1. CUDA架构应用58-59
• 4.1.2. 并行渲染技术路线59-60
• 4.2. 渲染效果的测试与分析60-66
• 4.2.1. 整体效果测试61-63
• 4.2.2. 局部优化效果测试63-66
• 4.3. 渲染性能的测试与分析66-73
• 4.3.1. 开发与测试平台66-68
• 4.3.2. 影响因素分组测试68-73
• 本章小结73-74
• 第五章 结论与讨论74-76
• 5.1. 结论74-75
• 5.2. 研究创新点75
• 5.3. 研究展望75-76
• 参考文献76-81
• 硕士期间科研成果81-82
• 致谢82-84

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