第二屆大會(huì)回顧第14期 | 矢量圖的高質(zhì)量重建與高效繪制

演講嘉賓 | 陳中貴

回顧整理 | 廖 濤

排版校對(duì) | 李萍萍

嘉賓介紹

OS內(nèi)核及視窗分論壇

陳中貴，廈門(mén)大學(xué)信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，美國(guó)卡耐基梅隴大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員。主要從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)研究，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，主持參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等。擔(dān)任CCF計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)專(zhuān)委會(huì)執(zhí)行委員，CSIAM幾何設(shè)計(jì)與計(jì)算專(zhuān)委會(huì)委員，CSIG智能圖形專(zhuān)委會(huì)委員。

視頻回顧

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正文內(nèi)容

矢量圖和位圖都是圖形表達(dá)中的常用表達(dá)形式。相較于位圖而言，矢量圖具有更小文件大小、更易于編輯以及更準(zhǔn)確表達(dá)等優(yōu)勢(shì)，且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損縮放，已廣泛運(yùn)用在Logo、圖標(biāo)、矢量藝術(shù)和線(xiàn)條圖形等領(lǐng)域。如何實(shí)現(xiàn)矢量圖的高質(zhì)量重建與高效繪制？廈門(mén)大學(xué)信息學(xué)院教授陳中貴在第二屆OpenHarmony技術(shù)大會(huì)上帶來(lái)了精彩分享。

矢量圖是基于數(shù)學(xué)方程的幾何圖元表示，也稱(chēng)為面向?qū)ο蟮膱D像或繪圖圖像，根據(jù)幾何特性來(lái)繪制圖形。在計(jì)算機(jī)中圖形學(xué)中，矢量圖的繪制都需要經(jīng)過(guò)光柵化（Rasterization），而光柵化則需要通過(guò)圖形渲染管線(xiàn)實(shí)現(xiàn)。

由于三角剖分可以將復(fù)雜的形狀分解為一系列簡(jiǎn)單的小三角形，從而使得圖像處理和渲染更加高效和精確，且在掃描線(xiàn)算法中使用三角形能夠使渲染過(guò)程更加高效，絕大部分的GPU都選擇以三角形作為其圖像渲染的基本元素。在二維的圖像繪制中，對(duì)于非三角形的元素，如何繪制呢？主要有以下幾種方法：

• 化曲為直法：在曲線(xiàn)上采樣，將曲線(xiàn)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)（或線(xiàn)段），進(jìn)而轉(zhuǎn)換成三角形。Google開(kāi)發(fā)的2D圖形繪制引擎Skia就采用了該方法。但該方法不是分辨率獨(dú)立，且放大易失真，遞歸算法不易并行。

• 纏繞數(shù)法以及掃描線(xiàn)法。前者可以計(jì)算纏繞數(shù)來(lái)判斷像素歸屬，后者可以利用掃描線(xiàn)提取圖形的邊界片段。但這兩種方法都較難在GPU上實(shí)現(xiàn)。

• 隱式方程法：將曲線(xiàn)表達(dá)轉(zhuǎn)化為隱式方程，以隱式方程為基礎(chǔ)判斷像素的內(nèi)外歸屬。但該方法實(shí)際復(fù)雜度較高，預(yù)處理效率很慢。

目前，在二維矢量圖繪制需要解決的問(wèn)題主要有：（1）分辨率相關(guān)：路徑仿射變換后需要重新細(xì)分，導(dǎo)致需要重復(fù)計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用中存在大量需要變換后復(fù)用的路徑；（2）不適合移動(dòng)端：NVPR需要大量的訪(fǎng)存操作，移動(dòng)端中對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)會(huì)顯著增加能耗；（3）Stroke難計(jì)算：Stroke繪制需要計(jì)算偏移曲線(xiàn)，確定偏移曲線(xiàn)的計(jì)算量巨大。

NVPR是一種不依賴(lài)于CPU的硬件光柵化算法，目前在產(chǎn)業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。但由于NVPR采取了任意三角化方案，導(dǎo)致可能出現(xiàn)部分重疊區(qū)域，需要經(jīng)過(guò)額外的計(jì)算來(lái)刪除，使其繪制效率較低。此外，NVPR采取了在采樣點(diǎn)級(jí)別（sample-rate）執(zhí)行片段著色器的抗鋸齒方案，導(dǎo)致其繪制效率進(jìn)一步降低，需要更大的顯示內(nèi)存消耗，且不適合移動(dòng)端。

針對(duì)上述NVPR算法的不足，作者本人及其所在研究團(tuán)隊(duì)將模版測(cè)試、著色和有符號(hào)距離抗鋸齒進(jìn)行結(jié)合，提出了一種適合移動(dòng)端的路徑高效硬件繪制方法。該方法能夠降低內(nèi)存帶寬和功耗，使其適合移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)，且克服了因分辨率升高帶來(lái)的內(nèi)存瓶頸，實(shí)現(xiàn)了分辨率無(wú)關(guān)。

此外，在圖像矢量化方面，作者本人及其所在研究團(tuán)隊(duì)提出了基于曲邊網(wǎng)格的圖像矢量化方法以及基于TCB樣條的圖像矢量化方法。前者基于輸入的位圖以及特征檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)矢量圖初始化表示以及多次繪制優(yōu)化后，相較直邊網(wǎng)格有更好的重建效果；后者基于TCB樣條函數(shù)所具有的分片多項(xiàng)式、局部支撐性以及高階光滑性等優(yōu)良性質(zhì)，解決了圖像矢量化的顏色跳躍問(wèn)題，且輕量級(jí)、高保真。

矢量圖在視窗系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用，矢量圖繪制的效率會(huì)直接或間接影響視窗系統(tǒng)的性能。在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)視窗系統(tǒng)時(shí)，需要同時(shí)考慮矢量圖的繪制方案，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施，以提高系統(tǒng)的性能。

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