本文關(guān)鍵詞：典型線狀符號(hào)在三維地形表面的渲染與效果優(yōu)化方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在二維地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)(GIS)中,矢量地圖符號(hào)具有選擇性增強(qiáng)空間對(duì)象和抽象化概括空間規(guī)律的重要作用。在三維GIS中,疊加數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)的可交互虛擬地理場(chǎng)景比平面地圖涵蓋的地理現(xiàn)象更多且更復(fù)雜。因此,三維GIS需要引入矢量地圖符號(hào)(道路、水系、居民地等)對(duì)重點(diǎn)地物信息進(jìn)行語(yǔ)義上的綜合概括和視覺上的突出表達(dá)。然而,將矢量要素貼合渲染在三維地形模型表面不再像二維地圖符號(hào)繪制那么簡(jiǎn)單,尤其是幾何形態(tài)和顏色樣式相對(duì)復(fù)雜的線狀要素,很容易出現(xiàn)渲染方面的視覺誤差,造成制圖者意圖傳達(dá)的信息與讀圖者實(shí)際接收到的信息不對(duì)等。例如線符號(hào)穿刺或懸浮于地形表面的現(xiàn)象、線符號(hào)邊緣鋸齒狀走樣現(xiàn)象、具有周期性變化樣式的線的各周期長(zhǎng)度視覺分布不均現(xiàn)象、視點(diǎn)遠(yuǎn)處較細(xì)線的斷續(xù)消失現(xiàn)象以及場(chǎng)景實(shí)時(shí)交互性能過(guò)低等,都易造成上文提到的信息不對(duì)等。本研究在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——“典型二維矢量地圖要素在三維地形表面的貼合渲染算法研究”(41371365)的支持下,提出了一種基于屏幕像素投影反算的矢量渲染與優(yōu)化方法。方法針對(duì)幾種典型的具有周期性變化樣式的線狀符號(hào),實(shí)現(xiàn)其在三維地形表面的精確貼合渲染,避免常規(guī)方法出現(xiàn)的視覺誤差。在CPU預(yù)處理階段,研究提出了基于地表鋪展長(zhǎng)度的周期劃分策略,建立了空間索引算法；在GPU實(shí)時(shí)渲染階段,研究提出了將像素由屏幕空間向二維矢量平面投影,根據(jù)其與矢量的位置關(guān)系決定著色的思路,以及適合于此情況下的像素反走樣算法。特別的,方法采用了GPU并行對(duì)渲染過(guò)程進(jìn)行了加速。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理階段,針對(duì)幾種具有周期變化特征的線狀要素,研究其周期長(zhǎng)度在起伏的三維地形表面的合理長(zhǎng)度分布方法,及其符號(hào)樣式的二維幾何構(gòu)建方法；研究線符號(hào)的面狀化、圓角過(guò)渡和暗邊構(gòu)建方法；研究矢量圖形的快速空間索引方法；(2)在實(shí)時(shí)渲染階段,研究屏幕空間和矢量空間的坐標(biāo)變換關(guān)系,將像素由屏幕坐標(biāo)變換為矢量平面坐標(biāo)內(nèi)的四邊形覆蓋范圍；對(duì)投影過(guò)程可能產(chǎn)生的投影空間不連續(xù)問(wèn)題研究其解決方法；(3)在像素投影變換過(guò)程中,研究像素的多重采樣策略；研究屏幕像素分類方法以排除不需要進(jìn)行采樣的部分像素；通過(guò)變換采樣空間避免采樣點(diǎn)的位置偏差；研究適用于此情況的采樣點(diǎn)著色方法；(4)考慮到像素計(jì)算的同質(zhì)性和屏幕空間的可分塊性,研究使用GPU并行手段對(duì)渲染過(guò)程予以實(shí)現(xiàn)；研究CPU與GPU協(xié)作計(jì)算流程；研究合適并行分塊數(shù)量和線程數(shù)量以達(dá)到性能最優(yōu)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,使用本研究提出的方法渲染的線符號(hào)具有精確貼合地形、周期分布合理、視覺效果美觀、消除懸浮現(xiàn)象、避免走樣誤差等特點(diǎn)。此外,由于設(shè)計(jì)使用了GPU并行加速算法,方法在渲染較大規(guī)模地理場(chǎng)景上達(dá)到了可交互級(jí)別的運(yùn)行性能。
【關(guān)鍵詞】：三維GIS 矢量地圖符號(hào) 屏幕渲染 多重采樣 并行計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P208
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 緒論14-24
• 1.1. 研究意義與背景14-15
• 1.2. 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展15-21
• 1.2.1. 二維線狀符號(hào)的地圖繪制方法15-16
• 1.2.2. 矢量在三維地表的疊加繪制方法16-19
• 1.2.3. 屏幕圖形繪制效果與性能優(yōu)化方法19-21
• 1.3. 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線21-22
• 1.4. 論文組織22-24
• 第二章 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法24-40
• 2.1. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹24-25
• 2.1.1. 地形數(shù)據(jù)24
• 2.1.2. 矢量數(shù)據(jù)24-25
• 2.2. 線要素的面狀化處理25-28
• 2.2.1. 圓角過(guò)渡處理26-27
• 2.2.2. 暗邊處理27-28
• 2.3. 基于鋪展長(zhǎng)度的周期劃分28-35
• 2.3.1. 地表鋪展長(zhǎng)度計(jì)算29-30
• 2.3.2. 線的鋪展周期劃分算法30-32
• 2.3.3. 周期樣式生成32-35
• 2.4. 矢量空間索引算法35-39
• 2.4.1. 空間索引建立36-38
• 2.4.2. 線的細(xì)分處理38-39
• 本章小結(jié)39-40
• 第三章 周期性線符號(hào)的渲染與優(yōu)化方法40-56
• 3.1. 空間投影關(guān)系40-43
• 3.1.1. 空間坐標(biāo)系統(tǒng)40-42
• 3.1.2. 變換矩陣計(jì)算42-43
• 3.2. 像素著色方法43-48
• 3.2.1. 投影位置判斷44-46
• 3.2.2. 投影空間的連續(xù)化46-47
• 3.2.3. 像素偏移的消除47-48
• 3.3. 反走樣優(yōu)化48-54
• 3.3.1. 屏幕多重采樣49-50
• 3.3.2. 邊緣像素提取50-51
• 3.3.3. 采樣空間變換51-52
• 3.3.4. 采樣點(diǎn)著色方法52-54
• 本章小結(jié)54-56
• 第四章 并行加速算法設(shè)計(jì)與測(cè)試56-74
• 4.1. GPU并行加速算法設(shè)計(jì)56-60
• 4.1.1. CUDA架構(gòu)應(yīng)用58-59
• 4.1.2. 并行渲染技術(shù)路線59-60
• 4.2. 渲染效果的測(cè)試與分析60-66
• 4.2.1. 整體效果測(cè)試61-63
• 4.2.2. 局部?jī)?yōu)化效果測(cè)試63-66
• 4.3. 渲染性能的測(cè)試與分析66-73
• 4.3.1. 開發(fā)與測(cè)試平臺(tái)66-68
• 4.3.2. 影響因素分組測(cè)試68-73
• 本章小結(jié)73-74
• 第五章 結(jié)論與討論74-76
• 5.1. 結(jié)論74-75
• 5.2. 研究創(chuàng)新點(diǎn)75
• 5.3. 研究展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-81
• 碩士期間科研成果81-82
• 致謝82-84

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