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一种矢量数据三维渲染优化方法

慕旭;霍亮;王金地;曹存相;秦高雅

【摘要】针对网络环境下三维地理信息系统交互式的渲染,海量的矢量数据在渲染

速度和质量方面存在的问题,利用新一代Web三维绘图标准WebGL的优势,引入

目前较流行的延迟渲染技术,提出了一种基于屏幕空间的三维地形矢量线符号渲染

方法.该方法利用Shader语言在三维地形着色阶段优化渲染大规模矢量线数据,将

地形单元和矢量线段间的映射关系存储在索引纹理中,通过计算当前屏幕片元与关

联矢量线段的空间位置关系,判断片元所属符号的区域,进而设置片元的颜色.使用从

OpenStreetMap下载的全国1∶50000公路矢量线数据进行实验,通过与传统模

板阴影体渲染方法对比证明,这种方法改善了各种尺度和范围的矢量数据在三维地

形上的叠加显示效果,提高了渲染效率.

【期刊名称】《北京建筑大学学报》

【年(卷),期】2018(034)004

【总页数】6页(P28-33)

【关键词】WebGL;矢量数据;地形渲染;着色器

【作者】慕旭;霍亮;王金地;曹存相;秦高雅

【作者单位】[1]北京建筑大学测绘与城市空间信息学院现代城市测绘国家测绘地

理信息局重点实验室,北京1000044;[1]北京建筑大学测绘与城市空间信息学院现

代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室,北京1000044;[2]北京建筑大学北京

未来城市设计高精尖创新中心,北京100044;[1]北京建筑大学测绘与城市空间信息

学院现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室,北京1000044;[1]北京建筑大

学测绘与城市空间信息学院现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室,北京

1000044;[1]北京建筑大学测绘与城市空间信息学院现代城市测绘国家测绘地理信

息局重点实验室,北京1000044;

【正文语种】中文

【中图分类】TU318.5

矢量地图的表达是二维电子地图、虚拟地理场景、地图导航系统等应用中的重要组

成部分，如矢量地图常用于表达道路、河流、行政区划和土地利用等信息[1].国内

外学者针对交互式实时渲染矢量数据做了许多研究.目前，基于3D虚拟地球技术

的研究有很多研究成果和商业应用.例如，谷歌公司的GoogleMap，Esri公司的

ArcGISEarth，微软公司的VirtualEarth，国家基础地理信息中心研发的天地图

客户端等.然而，针对在三维地形上交互式实时渲染大规模矢量数据的问题仍然没

有很好的解决方案.

将2D矢量要素渲染到3D地形表面始终是一个难题[2].目前主要有三种类型的矢

量数据叠加地形模型的渲染算法，它们是基于几何映射的方法、基于纹理映射的方

法和基于屏幕空间像素的方法.基于几何映射的方法[3]是将矢量要素视为单独的模

型，以匹配起伏的3D地形以实现拟合.由于地形LOD的存在，地形模型结构复杂

且实时变化，使用该类方法渲染的矢量数据会产生矢量数据悬浮、淹没在地形模型

之外.该方法的实时几何计算开销很大，运行性能容易受地形数据复杂度[4]与数据

量的影响.黄若思等[5]提出了在水平方向和垂直方向上矢量数据渲染优化的方法是

通过DEM提取方法计算矢量数据的顶点高程值，构建点、线和面的三维几何体，

保留了每个顶点的原始拓扑关系，并且针对矢量线与地形交叉的问题，提出了一种

顶点加密方法.基于纹理映射的方法[6]将矢量直接光栅化到地形模型2D纹理中并

以标准方式渲染.然而，地形模型纹理是具有有限分辨率的光栅图像，因此在场景

缩放期间网格的矢量边缘易于出现锯齿状混叠，并且在严重的情况下，用户易误解

原始矢量形状.李尚林等[7]提出一种动态矢量纹理金字塔叠加绘制方法.根据当前视

点位置实时生成对应金字塔级别的矢量纹理块，矢量纹理分块与地形分块一一对应，

统一调度渲染.此方法独立于底层地形几何，可与大多数分辨率地形渲染方法结合

使用.基于屏幕空间的矢量渲染方法[8]是使用三维地形表面上二维矢量的正投影作

为矢量区域.具体步骤是将二维矢量拉伸成正交方向的阴影体并计算像素中心点和

地形表面逐个像素投射的光的交点.通过判断交点和阴影体之间的内外关系进而生

成反应阴影区的二进制值.YangL等[9]验证使用这种方法渲染更大或更复杂的矢

量数据时，难以实现实时交互性能(<10fps).谈心，刘君妍等[10-11]针对这一问

题提出一种基于屏幕空间像素进行投影反算的渲染方法.通过预处理计算线要素贴

合在地表的真实长度，通过CPU-GPU并行异构计算模型实现，提高了场景交互

性