一种自适应修改地图配色降低地图能耗的方法

1.本发明涉及地理信息系统（gis）和计算机地图制图（cac）领域，尤其涉及一种利用计算机快速生成地图节能配色方案的方法。


背景技术：

2.地图是地理信息可视化的产品，在地图信息传输时，视觉是最主要的信息获取渠道。作为视觉变量之一的颜色会直接影响地图信息的传输和读者的视觉感受。随着“双碳”目标的提出，地图能耗引起了广泛的关注。计算机图形学、信息与通信技术（ict）和移动计算领域的研究人员认识到能源感知界面和显示解决方案的重要性，提出了颜色调暗和颜色调整等方法。
3.颜色调暗技术通过降低设备的光强达到降低能耗的目的，常见的颜色调暗方法包括背光调节、减少电流、动态电压调节等。这些方法在lcd、oled显示屏上均可正常工作，但是调暗技术会将显示屏的色域压缩为黑色，虽然可以有效地降低地图显示能耗，但也会导致颜色失真。近年来，研究人员改善了颜色调暗方法，提高了地图的显示效果，例如自适应调光、利用眼动技术在屏幕不同位置调暗颜色、使用陀螺仪感知设备直立状态进行调光等。这些方法可以有效地保持视觉对比度，但是未考虑到地图颜色变化前后的一致性。颜色调整方法可以改变原始颜色的色相、亮度和饱和度，将耗能颜色转换为节能颜色。常见的颜色调整方法一般将能耗作为目标函数，将色相、饱和度、颜色调和等作为约束条件构建多约束优化模型寻找节能方案。但是，这些方法往往忽略了地图对象之间的语义关系，难以保持原始地图的设计质量。目前还未形成一个通用的、高质量的地图节能配色方案调整方法。
4.为解决上述问题，需要一种新的方法，能够顾及地图信息传输质量的同时实现地图节能配色方案的快速生成。名称为“一种根据屏幕亮度调整导航地图色的方法”，申请号cn201310449414，公开号为cn103474043a的中国专利，公开了一种根据屏幕亮度调整导航地图色的方法。导航系统的背光通过软件进行手动设置，也可以通过光感传感器进行控制，软件或光感传感器改变pwm的占空比，形成不同的lcd背光控制电压，产生不同的亮度，从而控制屏幕显示的亮度；导航软件通过获取lcd的亮度信息，在进行地图描画时，矢量图引擎会生成对应背光亮度的背景色，生成电子地图，lcd屏幕上的地图背景颜色能完全适应背光的亮度，使得显示内容更佳清晰。该发明可以降低了导航系统的操作复杂性，使得导航设备更加智能化，人性化。在驾驶过程中，不用担心因为lcd亮度过高导致双眼疲劳的问题，增加了驾驶过程中使用导航的舒适性和驾驶的安全性。名称为“一种根据汽车所在城市天气情况动态调整地图配色的方法”，申请号为cn201410476316，公开号为cn104266652a的中国专利，公开了根据汽车所在城市天气情况动态调整地图配色的方法，该方法通过地图颜色的动态变化，反映出当前的天气状况，通过与天气模块的联动，及时的获取天气信息，对地图颜色进行调整；让用户根据天气的状况设定自己喜爱的颜色效果，实现用户的定制效果。该方面可以使地图颜色可以随着天气情况的变化而变化，使以往死板的地图颜色有更好的显示效果，也使驾驶员不需要刻意的关注天气状况，通过地图颜色的变化可以获取相关内容。
上述两个专利申请均涉及自适应调整地图配色的方法，但仍然存在一些局限性。名称为“一种根据屏幕亮度调整导航地图色的方法”的专利虽然公开了根据屏幕亮度调整地图配色的方法，但是该方法适用于导航地图，而对于其他不同比例尺、不同专题的矢量或者栅格电子地图无法保证较高的优化质量。名称为“一种根据汽车所在城市天气情况动态调整地图配色的方法”的专利虽然公开了根据汽车所在城市天气调整地图配色的方法，但是该方法未考虑到地图的能耗和信息传输质量的问题，无法在调整地图配色的同时达到降低能耗的目的。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于解决自适应降低电子地图能耗的问题，提供一种顾及电子地图信息传输质量的地图节能方法，实现对地图节能配色方案的快速生成。
6.技术方案：本发明的自适应修改地图配色降低地图能耗的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，定义地图配色方案的优化变量，获取各颜色的红色、绿色和蓝色分量值，建立电子地图能耗的度量模型，将整幅地图的能量消耗作为优化目标1；步骤2，基于语义关系和习惯用色规则定义地图信息传输质量，建立反映地图信息传输质量的科学性评价模型，将地图信息传输质量的得分作为优化目标2；步骤3，根据地图设色规则，确定优化变量的范围和条件；步骤4，采用启发式搜索寻找地图节能配色方案的全局最优解。
7.进一步地，所述步骤1具体包括：（1）提取出原始地图的配色方案，即获取各要素集合的名称以及对应的红色、绿色、蓝色分量值；（2）提取地图各要素集合在整个地图的面积占比；（3）参考颜色能量模型度量整幅电子地图的能量消耗，用e
all
表示地图某种配色方案的总能耗，n为要素集合数量，ei为第i个要素集合的能耗，wi为第i个要素集合的面积与整幅地图的面积比，地图能耗描述为：（4）经过步骤（1）、（2）和（3）后得到整幅地图的能量消耗作为优化目标1。
8.进一步地，所述步骤2具体包括：（1）依据经验规则设定原始地图使用习惯用色的要素集合，在地图配色调整过程中保持在小范围内调整颜色，用表示习惯用色色差阈值，为两个颜色在cielab色空间上的距离，ci为第i个要素集合调整后的颜色，ci为第i个原始地图要素集合的习惯用色，习惯用色得分描述为：
（2）定义地图对象之间的三种语义关系：差分、关联和顺序，根据原始地图的配色方案设置各个要素集合颜色间的语义关系，用i和j表示两个要素集合的颜色，r
ij
是两个颜色之间的语义关系，为差分和关联的颜色距离阈值，为确定顺序关系的色相角度阈值，为两个颜色的色相差，为两个颜色在cielab色空间上的距离，wd、wa和wo为三种语义关系的权重，c为图层的颜色，l为颜色的亮度，为颜色的饱和度，是关联关系，是差分关系，是顺序关系，，语义得分描述为：（3）对使用习惯用色的要素集合建立习惯用色评分模型，根据各要素集合之间的语义关系建立语义评分模型，综合两者得到反映地图信息传输质量的科学性评价模型：（4）经过步骤（1）、（2）和（3）后得到地图信息传输质量的得分作为优化目标2。
9.进一步地，所述步骤3具体包括：（1）设置原始地图中的背景要素集合，根据图形和背景色差与亮度设色规则确定调整后各个前景与背景要素集合之间所需满足的色差与亮度差，用表示前景和背景两个颜色在cielab色空间上的距离，用表示图形与背景颜色之间的色差阈值，用表示图形与背景颜色间的亮度差阈值，i为前景要素集合，k为背景要素集合，c为图层的颜色，l为颜色的亮度，该约束描述为：（2）根据可辨识规则确定调整后各要素集合之间需要满足的最小色差，用表示两个颜色在cielab色空间下可辨识的色差阈值，用i和j表示两个要素集合的颜色，用表示两个颜色在cielab色空间上的距离，该约束描述为：（3）根据调整前后颜色一致性规则确定地图节能配色优化变量的范围，用表示调整前后的颜色距离约束，为第i个要素集合调整后的颜色，ci为第i个原始地图要素集
合的颜色，用表示调整前后两个颜色在cielab色空间上的距离，确定计算域边界条件：。
10.进一步地，所述步骤4具体包括：（1）将原始地图各要素集合颜色在rgb颜色空间中的离散点云通过色空间转换将颜色建模为cielab颜色空间和hsv颜色空间的离散点云便于度量色差和搜索优化配色方案；（2）通过步骤1和2建立的优化目标1、优化目标2以及步骤3设定的约束条件将地图降能组织成一个多目标多约束的优化问题，采用启发式搜索寻找该问题的全局最优解，得到pareto前沿解集；（3）综合考虑地图信息传输质量和地图能耗两个指标的重要性，根据pareto前沿解集采样输出一系列最优解，得到不同能耗下地图信息传输质量得分最高的一系列地图配色方案，即调整后各要素集合颜色的红色、绿色和蓝色分量值；（4）对原始地图按照调整后的配色方案渲染，得到不同降能百分比下的电子地图。
11.发明原理：本发明将地图各要素集合颜色的红色、绿色、蓝色分量值作为配色方案的优化变量，建立度量地图能耗的模型和地图信息传输质量评价模型。根据地图设色规则，确定调整后各分量值所需满足的基本条件。针对无法顾及电子地图信息传输质量对地图降低能耗的问题，采用启发式搜索在状态空间中对每一个搜索到的配色方案进行评估，寻找该问题的全局最优解。对得到的pareto前沿解集采样并输出一系列最优解，可以得到不同能耗下地图信息传输质量最高的配色方案。本发明适用于不同比例尺、不同专题的矢量或者栅格电子地图，能够保证较高的优化质量。
12.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明能够对各类地图配色方案进行降能优化，语义关系的确定和习惯用色要素集合的设定可以根据实际情况自由调整。与颜色调暗方法相比，本方法可以减少将色域压缩为黑色的情况，较大程度上避免了颜色失真；与常见的颜色调整方法相比，本方法能够顾及到地图对象间的语义关系，提高了地图信息的传输质量。与其他现有优化方法相比，本方法突出了前景与背景的分离，控制图形与背景间的色差与亮度差，从而提升了读图效率，适用于不同比例尺、不同专题的矢量或者栅格电子地图。
附图说明
13.图1是本发明方法的流程图；图2是语义关系示意图；图3是地图要素类型图；图4是降能结果图，(a)原始地图，(b)降能50%结果，(c)降能65%结果，(d)降能80%结果。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
15.本发明将地图各要素集合颜色的红色、绿色、蓝色分量值作为配色方案的优化变量，建立地图能耗度量模型和地图信息传输质量评价模型。根据地图设色规则，确定调整后各分量值所需满足的基本条件，采用启发式搜索寻找最优节能配色方法解集。
16.如图1所示，图4中的(a)全球气候分布地图的配色方案降能过程包含以下步骤：步骤1建立地图能耗度量模型；步骤2建立地图信息传输质量评价模型；步骤3基于设色规则确定优化变量范围和条件；步骤4采用启发式搜索对地图降能模型优化求解。
17.更具体的实施步骤如下：建立地图能耗度量模型计算机、手机、平板电脑等电子设备的显示屏幕均利用红、绿、蓝三通道，以加色法的形式表示颜色，可以使用三维坐标系统来表示rgb颜色空间的三个正交分量值。针对一幅电子地图，首先提取出各个要素集合的名称、rgb三通道的分量值及其占整幅地图的面积比。本发明中任意要素集的颜色均可描述为一个三元组《ri,gi,bi》，任意的地图配色方案均可描述为一个唯一的颜色集合：s={s0,s1,s2,...}。
18.根据组成颜色的红、绿、蓝三通道的分量值可以计算该颜色所消耗的能量。用r表示红色通道分量值，用g表示绿色通道分量值，用b表示蓝色通道分量值，某种颜色的能耗e可描述为：采用该能量模型计算地图原始配色方案和所有降能后的配色方案所消耗的能量，用e
all
表示地图某种配色方案的总能耗，n为要素集合数量，ei为第i个要素集合的能耗，wi为第i个要素集合的面积与整幅地图的面积比。地图能耗模型可以描述为：地图原始配色方案和所有降能过程中搜索的配色方案所消耗的能量可由上述能耗模型计算得到。与一般的颜色调整方法相比，该方法将能耗纳入配色调整当中，量化了地图的能量消耗，可以提高降能精度。
19.建立地图信息传输质量评价模型颜色作为视觉变量之一会直接影响地图信息的传输和读者的视觉感受，科学性的地图颜色不仅能够描述地图对象间的语义关系和地理空间特征，还能够有效表达定性定量的地理信息。语义关系有三种类型，包括差分、顺序、关联，它们通常存在于地图和可视化中，通过保持语义关系可以实现调整前后的颜色一致性，提高信息传输质量。如图2城市土地利用地图所示，右侧语义关系展示了该地图中不同要素集合之间的语义关系，差分可以描述地图中两种不同主题的地物，采用具有相对较大色差的颜色；关联可以描述地图中同一主题具有不同特征的地物，采用色差相对较小的颜色；顺序可以描述数值从低到高排列的一系列图层，在颜色上呈现渐变的趋势。根据原始地图配色方案及其地物的实际意义设
置各个图层间的语义关系。
20.颜色距离被广泛地用于分析语义关系、习惯用色设色规则等，任意的颜色在cielab色空间可描述为一个三元组《li,ai,bi》，rgb颜色空间与cielab颜色空间可以相互转换，将配色方案中的颜色建模为rgb颜色空间中的离散点云，通过色彩空间转换将配色方案中所有的红、绿、蓝分量值转换为对应的l、a、b值，用于度量各个颜色之间的距离，其中， l表示亮度（0-100）；a从绿色（-）到红色（+），b从蓝色（-）到黄色（+），a、b范围通常在-128到+127。颜色距离可以描述为：颜色间的色相差可以描述为：用i和j表示两个要素集合的颜色，r
ij
是两个颜色之间的语义关系，为差分和关联的颜色距离阈值，为确定顺序关系的色相角度阈值，为两个颜色的色相差，为两个颜色在cielab色空间上的距离，wd、wa和wo为三种语义关系的权重，是关联关系，是差分关系，是顺序关系。为颜色的饱和度：语义关系得分可以表示为：将i与j图层的颜色权重记为w
ij
，根据r
ij
赋值。根据i和j的语义关系对传输质量进行评分，最后对所有语义关系的质量进行评分，结果取值范围为0 ~ 1。语义关系总得分可以描述为：语义关系可以反应地图信息传输的内容，而习惯用色则与信息传输中使用颜色的有效性有关，地图绘制者通常按照习惯选择颜色，如蓝色代表水，绿色代表森林，从而引发对颜色语义的共鸣。依据原始地图配色方案及其地物的实际意义设置需要保持习惯用色的
要素集合。对于给定的地图颜色，用表示习惯用色色差阈值，为两个颜色在cielab色空间上的距离，ci为第i个要素集合调整后的颜色，ci为第i个原始地图要素集合的习惯用色，习惯用色得分可以描述为：对整幅地图配色方案的习惯用色进行评分，如果要素集合没有约定使用习惯用色，那么该要素集的得分取1，习惯用色总得分可以描述为：基于以上对语义关系和习惯用色的量化，将得分相乘得到地图信息传输质量。可以描述为：地图原始配色方案和所有降能过程中搜索的配色方案的信息质量可由上述评价模型计算得到。与一般的颜色调整方法相比，该方法在搜索过程中可以较好地保持原始地图配色方案的语义关系和习惯用色，提高地图的信息传输质量。
21.基于设色规则确定优化变量范围和条件地图颜色设计理论涉及很多设色规则，将设色规则作为优化变量的约束条件可以控制颜色在一定范围内变化且满足相应的条件，提高读图效率和地图美感，地图节能配色方案优化模型用到如下约束：1）图形-背景分离约束：电子地图的显示需要避免模糊的图形和背景的分离，其图形和背景应体现出明显的颜色差异，而亮度和对比度是地图中图形和背景分离的主要因素。依据原始地图要素集合设置要素类型，包括点状要素、线状要素、面状要素和背景，除背景以外所有要素集合统称为前景。如图3南京交通地图所示，图例中名称为背景的要素作为背景要素集合，其余均为前景。用表示图形与背景颜色之间的色差阈值，用表示图形与背景颜色间的亮度差阈值，i为前景要素集合，k为背景要素集合，l为颜色的亮度。该约束可以描述为：2）可辨识规则：基于视觉识别的可辨识约束对地图制图至关重要，地图各个要素集合之间需要控制颜色距离，设置最小可分辨的颜色距离阈值使地图使用者得以识别区分，用表示两个颜色在cielab色空间下可辨识的色差阈值。用i和j表示两个要素集合的颜色，用表示两个颜色在cielab色空间上的距离。该约束可以描述为：
3）调整前后色差约束：为了控制地图颜色在降能过程中调整的颜色与原始地图颜色之间的差异不能过大以保持调整前后颜色的一致性，设定调整前后的颜色距离约束。为第i个要素集合调整后的颜色，ci为第i个原始地图要素集合的颜色，用表示调整前后两个颜色在cielab色空间上的距离确定计算域边界条件。该约束可以描述为：在降能过程中搜索的所有配色方案均受以上三个条件约束，与颜色调暗方法相比，该方法减少了在调整过程中将颜色压缩成黑色，避免了颜色失真的情况出现，保证了调整前后颜色的一致性，引入图形和背景色差与亮度差约束可以突出前景与背景的分离，提高读图效率。
22.采用启发式搜索对地图降能模型优化求解与rgb颜色空间相比，hsv颜色空间通过颜色的三个维度（色相、亮度、饱和度）在评估颜色一致性方面具有优势。在hsv色空间中搜索需要将距离计算转换到cielab色空间中进行，以实现感知颜色一致性。在hsv色空间搜索颜色而避免直接在cielab色空间中进行可以降低计算成本。因此，将rgb颜色空间中的离散点云通过色空间转换将颜色建模为cielab颜色空间和hsv颜色空间的离散点云便于度量色差和搜索优化配色方案。
23.针对无法顾及电子地图信息传输质量对地图降能的问题，将地图降能组织成一个双目标多约束的优化问题。由于地图颜色降能问题是一个具有双重目标和多重约束的max-max问题，因此采用启发式搜索在状态空间中对每一个搜索到的配色方案进行评估，寻找该问题的全局最优解，得到pareto前沿解集。定期pareto前沿解集进行采样，输出一系列最优解。如图4所示，使用(a)中的地图作为原始地图，可以获得一系列顾及地图信息传输质量的节能配色方案。(b)为原始地图降能50%结果，(c)为原始地图降能65%结果，(d)为原始地图降能80%结果。地图节能模型优化求解的过程为：（1）提取出原始地图配色方案的rgb值和面积占比；（2）确定地图对象间的语义关系；（3）设定习惯用色规则和各个要素集合的类型；（4）将步骤（1）、（2）、（3）的原始地图信息输入节能优化模型中，采用启发式搜索在状态空间中寻找节能配色方案并对其评估。经过多次迭代保存最优解集，定期对pareto前沿解集采样，输出一系列具有较高地图信息传输质量的节能配色方案。