【Virtual Globe 渲染技术笔记】10 矢量数据与折线

矢量数据与折线（Vector Data and Polylines）

虚拟地球同时使用两类核心数据：

• 栅格数据（raster）：地形、影像，负责“颜值”。
• 矢量数据（vector）：点、线、面，负责“干活”——从城市规划到作战指挥。

图 7.1(b) 展示了三种基本矢量形态：河流是折线（polyline），国家是多边形（polygon），城市是点（point）。
接下来三章节将逐一介绍现代虚拟地球中 折线、多边形、点 的渲染与预处理技术（三角化、纹理打包等）。

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10.1 矢量数据来源

格式	特点
Shapefile (Esri)	.shp 存几何，.shx 索引，.dbf 存属性；所有要素类型一致。
KML (OGC)	XML 结构，可携带样式、导航、外链；libkml 支持 C++/Java/Python。

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10.2 解决 z-fighting

矢量数据与椭球面之间会出现两种深度冲突：

1. 共面冲突：线段与三角片面共面 → z-fighting。
2. 切穿冲突：线段略低于椭球面 → 被深度测试剔除。

解决方案：写入“中值深度”

• 在片元着色器（或光线投射）中，计算射线与椭球的 前后两个交点，取时间中值：

  vec3 avgPos = eye + mix(i.nearTime, i.farTime, 0.5) * rayDir;
  gl_FragDepth = computeDepth(avgPos);
  

• 照明仍使用实际交点坐标。
• 扩展：可为不同对象准备两套深度缓冲（正常 vs 中值）。

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10.3 折线渲染

9.3.1 批处理（Batching）

目标：把大量小折线塞进一次 Draw Call，减少 CPU/GPU 往返。

方法	顶点数	索引数	说明
Lines（逐线段）	2n-2	0	简单，但双倍顶点。
Indexed Lines	n	2n-2	省显存，GPU 顶点缓存友好。
Indexed Line Strips + Primitive Restart	n	n+1	单 Draw Call 渲染多条折线，最省。

示例：1000 点折线

• Line Strip：32 000 B
• Indexed Lines：39 996 B
• Indexed Line Strips：34 002 B

10.3.2 静态缓冲

• 边界、道路等极少变更 → 一次上传 GPU，使用 BufferHint.StaticDraw。
• 动态轨迹可配合静态索引 + 动态顶点（仅追加顶点，索引不变）。

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10.3.3 宽线（Wide Lines）

• 旧 API：glLineWidth 已被弃用。
• 现代做法：几何着色器把线段扩展为 像素宽度的四边形（图 7.8）。
  1. 将端点投影到窗口坐标。
  2. 计算法线，沿法线挤出 ±width/2。
  3. 输出三角形带。
• 锐角缝隙：在端点附加一个圆点即可掩盖（图 7.10）。

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10.3.4 描边线（Outlined Lines）

需求：内色 + 边框，使折线更醒目（图 7.11）。

方案	实现要点
两遍渲染	先外框（大宽度），再内芯；需模板缓冲防 z-fighting。
几何着色器一次生成	6 个三角形（内 2 + 外 4），边缘锯齿需 MSAA。
纹理法（推荐）	1D 纹理横跨线宽：R 通道控制内/外颜色插值，G 通道控制透明度衰减 → 无内锯齿，外边界自动抗锯齿（图 7.13）。
纹理宽度 = interior + outline×2 + 2（边缘透明像素）。

纹理只存 0/1，不存颜色，因此可复用于不同颜色组合。

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10.3.5 采样与 LOD

• 直线段过椭球：洛杉矶—纽约直线会切穿地球。
  → 使用 2.4 节算法在椭球面上 等角重采样。
• 海量点折线：
  • 先用 Douglas-Peucker 离线生成多级离散 LOD。
  • 按图层可见高度切换，而非逐折线 LOD（图层先关，LOD 后省）。

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动手实践

运行 Chapter07VectorData 即可加载 shapefile，实时观察折线、多边形、布告板渲染效果。