CN101930624A - 三维道路交叉口的模型化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维道路交叉口的模型化装置,所述装置包括:转化单元,所述转化单元利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面;确定单元,所述确定单元从所述三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的边缘交点,并根据道路转弯半径和所述边缘交点确定所述三维道路面中的道路交叉口区域;以及网格化单元,所述网格化单元对所述道路交叉口区域进行三角形网格化,以获得三维道路交叉口模型。本发明可以自动、快速地实现三维道路交叉口建模。
Description
技术领域
本发明涉及三维导航和建模领域,尤其涉及一种三维道路交叉口模型化的方法及装置。
背景技术
在很多应用领域,传统的二维地图已经越来越不能满足需求了,取而代之的是能产生身临其境之感的3D地图。随着电子产品硬件的升级,地图三维化已经成为可能。3D地图不仅能够提供二维地图所需的一切信息,更重要的是它能反应一个立体的世界,能够给用户提供更加丰富直观的视觉效果,让人产生身临其境之感。
3D地图包括地形、道路、建筑、景观等多个层次的信息,其中3D道路是3D地图最重要的组成部分,而道路交叉口是道路的重要组成部分,是人流车流通行和汇集的枢纽。交叉路口有多种交叉形式,如T形、Y形、X形和“十”字等形状,此外还有各种不规则形状以及多条道路平面交叉的叉路口。
现有的3D道路一般都采用手工建模的方法,通过使用一些例如maya、3dmax等3D建模软件人工手动地建立道路的三角形网格模型。人工手动建模的方法能够是模型非常细腻真实,但其最大的缺点是手动建模工作量大,效率极其低下,这样不利于提高生产力和生产效率,严重影响了3D道路模型在各个领域中应用。同时模型的存储需要很大的容量空间,这样就大大的限制了3D地图的发展。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一。
为此,本发明的实施例提出一种自动、快速地实现三维道路交叉口的模型化方法和装置。
根据本发明的一个方面,本发明实施例提出了一种三维道路交叉口的模型化方法,所述方法包括以下步骤:a)利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面;b)从所述三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的边缘交点;c)根据道路转弯半径和所述边缘交点,确定所述三维道路面中的道路交叉口区域;以及d)对所述道路交叉口区域进行三角形网格化,以获得三维道路交叉口模型。
根据本发明的另一方面,本发明的实施例提出一种三维道路交叉口的模型化装置,所述装置包括:转化单元,所述转化单元利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面;确定单元,所述确定单元从所述三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的边缘交点,并根据道路转弯半径和所述边缘交点确定所述三维道路面中的道路交叉口区域;以及网格化单元,所述网格化单元对所述道路交叉口区域进行三角形网格化,以获得三维道路交叉口模型。
本发明可以根据仅由点、线段表示的简单道路平面交叉口几何数据及其属性数据,自动地制作成三维道路平面交叉口模型数据。本发明可以根据二维的地图道路数据实时动态地生成具有高仿真度的3D虚拟道路交叉口模型,大大加快3D道路模型化的速度。因此,极大提高了地图道路的可使用性和3D道路建模的工作效率。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本发明实施例的三维道路交叉口的模型化装置结构图;
图2为本发明实施例的三维道路交叉口的模型化方法步骤流程图;
图3(a)到图3(c)分别为本发明具体实施例的平面交叉路口的二维模型示意图;
图4(a)到图4(c)分别为本发明具体实施例的平面交叉路口的三维模型示意图;
图5为本发明实施例的三维模型化后边缘交点坐标计算示意图;
图6为本发明实施例的三维交叉口道路边缘处理示意图;
图7为三维交叉口道路边缘处理的圆曲线半径取值表格;
图8(a)到8(f)为本发明实施例的三维道路交叉口区域示意图;
图9为本发明实施例三维道路交叉口区域的网格化采样点坐标计算示意图;以及
图10(a)和图10(b)为本发明实施例的道路交叉口平面区域网格化示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
首先参考图1,该图为本发明实施例的三维道路交叉口的模型化装置结构图。
如图所示,本发明的模型化装置包括转化单元12、确定单元14以及网格化单元16。转化单元12利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面。
二维道路一般用点和线段来表示,二维道路数据中包括二维道路几何数据和道路的属性数据。道路几何数据包括道路的关键位置,例如道路起点、道路交叉点、道路的转折点等的坐标信息,以及和道路交叉点相连的道路信息,例如各个道路距离交叉点的长度等。
道路的属性数据包括道路的名称、等级、性质、宽度、车道数、任务、功能等信息。此外,道路属性还包括了一些点,这些点可以用来表示地图中餐馆、邮政、银行、服务区等功能区,也可以包括道路的立体交叉点、平面交叉点、道路出口入口等道路中的特殊点。
如图3(a)所示,在二维模型表示的道路中,曲线ABC表示一条道路,曲线DBE表示一条道路,两条道路相交于中心一点B,点B在二维道路数据中的属性数据中被标记为道路交叉口。具有交叉路口的其它形式的二维道路如图3(b)、3(c)所示。
二维道路数据可以通过从实际道路上采集获得,或者可以通过其它的途径获得,例如从其它的地图/道路数据中提取或直接从地图数据供应商购买等。
因此,根据二维道路数据对应的道路属性信息,转化单元12将二维道路模型化为三维道路面。
在一个实施例中,转化单元12在二维道路两侧,以预定距离平行所述二维道路作一对平行线,以形成三维道路的边缘,并且这一对平行线之间的距离构成三维道路的特定宽度。
确定单元14从三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的交点,并根据道路转弯半径和获取的边缘交点,确定三维道路面中的道路交叉口区域。网格化单元16则对确定的道路交叉口平面区域进行三角形网格化,以获得三维道路交叉口模型。
在一个实施例中,本发明的模型化装置还可以包括纹理铺装单元18以及显示单元22。纹理铺装单元18可利用道路属性数据,例如公路等级、车道数等对上述三维道路交叉口模型进行纹理铺装,给三维网格道路交叉口模型贴上相应的纹理就形成了简单的具有较好视觉效果的道路。将上述处理后的三维道路交叉口模型输入到显示单元22中,利用三角形网格和对应的纹理,显示单元22能够非常细腻真实的反映现实客观的物体。三角形网格反映道路的位置形状,材质纹理则反映了道路的颜色信息和材质,如反射、透射等信息。通过网格化的模型,道路能够非常清晰地在计算机屏幕中显示出来,从而达到浏览3D场景的目的。
在一个实施例中,模型化装置还可以包括存储单元20,利用存储单元20将三维道路交叉口模型对应的数据进行静态存储。
由顶点和线段构成的三角形网格模型是三维模型的外观表现,输入显示单元22或存储单元20的三维模型数据是模型中所有三角形的顶点按照逆时针或顺时针的顺序组织起来的数据块。
另外,本发明还提供了一种三维道路交叉口的模型化方法,该方法的具体实施例如图2所示。
首先,利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面(步骤102)。然后,从上述三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的交点(步骤104)。根据道路转弯半径和获得的边缘交点,可以确定三维道路面中的道路交叉口区域(步骤106)。最后,对道路交叉口平面区域进行三角形网格化,从而获得三维道路交叉口模型(步骤108)。
如上文所述,二维道路数据可以通过从实际道路上采集获得,或者可以通过其它的途径获得,例如从其它的道路数据中提取或直接从地图数据供应商购买等。
在一个实施例中,本发明提供了一种二维道路几何数据的获得方法。
对二维道路几何数据的采集是指从道路的起点开始,以道路中心线为基准开始采点,若道路方向有偏转且偏转的方位角绝对值大于等于预定角度,例如α,则在方位角绝对值偏转至α处时记录所处位置的坐标信息和此点距上一点的距离d,若距离d的值大于或等于某一事先确定的阈值λ(d≥λ),则将此点与前一点之间的线段及其长度存储起来,同时将方位偏转角清零。然后,进行道路数据的下一点采集。
对二维道路数据的采集是指从道路的起点开始,以道路中心线为基准开始采点,若道路方向有偏转且偏转的方位角绝对值大于等于α,则在方位角绝对值偏转至α处时记录所处位置的坐标信息和此点距上一点的距离d,若距离d的值小于某一事先确定的阈值λ(d<λ),则舍弃此点,并不对方位偏转角做任何改变,继续监听方位角偏转的变化和与前一点的距离d,一旦方位角大于或等于α且d的值大于或等于λ,则将此点与前一点之间的线段及其长度存储起来,同时将方位偏转角清零,再进行下一点的采集。
对二维道路交叉口数据的采集是指从道路的起点开始,以道路中心线为基准开始采点,对于所有平面道路交叉口都采集一个点坐标,并以此点坐标来代替此道路平面交叉口与其它道路相连。记录与此平面交叉路口的交叉点相连的道路信息。
重复上面的操作以采集足够多的道路信息。
通过上述在道路的中心线上取点,然后连成线,可以将实际的道路抽象化模型化成二维道路数据,
下面,将结合具体实施例对本发明的三维道路交叉口的模型化方法和装置作出详细描述。
如上文所述,图3(a)到图3(c)分别给出了平面交叉路口的二维模型示意图。其中,图示实施例包括道路交叉口形式有四叉路口(对应图3(a))和三岔口(分别对应图3(b)、图3(c)的形T、Y形)几种。
图4(a)到图4(c)则分别对应图3(a)到图3(c),显示了本发明具体实施例的平面交叉路口的三维模型示意图。
如上文所述,可利用一对平行线将二维道路模型化为具有特定路面宽度的三维道路交叉口。以图3(a)为例,具体做法是作二维道路AB的平行线a1b1、a2b2,若两条平行线分别到AB的距离为b,则2b为道路AB的总宽度。对于其它的道路使用同样的方法可得到图4(a)所示的三维道路交叉口模型。
本发明也可以采用其他的道路模型化方法将二维道路数据表示的道路模型化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面模型。
根据上述转化的三维道路面模型,可以使两条相交道路的边缘分别相交,例如图4(b)所示的b1、b2、b3三点,图4(c)所示的b1和b2点,以及图6所示的b1、b2、b3、b4四点。
在适宜的实施方案中,对于其它情形的平面道路交叉,上述方法都可适用。以上三维模型化道路面方法仅用来说明一种确定相交道路的边缘交点的实施方案,本发明不排除使用其他三维道路模型化方法来获得边缘交点。
下面,图5给出了本发明实施例的三维模型化后边缘交点坐标计算示意图。例如,图5的T形交叉口的实施例中交叉点为B,对应的边缘交点为I和J。
参考图5,在相对坐标系XOZ中假设A点坐标为(0,0),即与原点重合,B点坐标为(x1,z1),B点为道路交叉口的二维道路中心坐标点,且已知各平行线,即道路边缘到其相应道路中心线的距离是b,由此可以得出与道路中心线AB平行的道路边缘的直线方程为:
其中c是常数,
同理,由点B和点D的坐标可得直线BD的平行线JS的直线方程,由点B和点C的坐标可得直线BC的平行线IT的直线方程,再分别与直线JP和IQ的直线方程组成二元一次方程组,求解后可得两道路平面交叉时,边缘交点J、I的坐标。此坐标为相对坐标系XOZ中的坐标,将此坐标加上坐标原点O即点A的绝对坐标值就可得到J、I的绝对坐标值。同理可求得其他两边缘交点的坐标。
此计算方法用以说明本实施方案中求平面交叉道路的边缘交点坐标,但是本发明不排除使用其它计算方法计算平面交叉道路的边缘交点。
以上方法计算出来的x、z坐标值是一个点在水平面上的方位坐标,y值是一个点的高度值。若输入的道路数据是没有高度的二维道路数据,要生成真正意义上的三维道路模型则需要人为地设定一个值作为高度参数,该参数在地理信息领域称为高程数据,或者从与道路水平面同一坐标处的数字地形数据提取出高程数据等。
若输入的道路数据包含了道路的高程信息,则可以将由以上方法计算出来的水平坐标附加上相应点的高度值y,就得到了边缘交点的空间坐标值。此高度值与其相应的道路中心点的高度值相同,或在转弯处进行道路加高以消除离心力时,根据道路中心点的高度值计算得出。例如图4(a)中,a1、a2点的y坐标即a1、a2点的高度值与其相应的道路中心点A的y坐标值相等。当然根据需要,a1、a2点的y坐标也可以根据A点的y值进行相应的变化计算得出。
下面参考图6和图7,其中图6为本发明实施例的三维交叉口道路边缘处理示意图,图7为三维交叉口道路边缘处理的圆曲线半径取值表格。
根据道路等级、道路设计的速度确定一个半径R,即道路的转弯半径。然后,以此半径R在边缘交点对应的夹角中分线上做一圆弧相切于两道路边缘。如图6中左下角的圆弧PSQ,用圆弧PSQ来替代线段Pb1和b1Q成为道路边缘,即完成了平面交叉路口的道路边缘的处理。
按照以上方式对全部的边缘交点进行处理,可以得到各个边缘交点对应的圆弧。
关于定R值,如果是城市道路的交叉口,则根据《城市道路设计规范》中规定的圆曲线半径的范围内取值,如图7中所示。另外,如居住区道路红线转弯半径不得小于6米,工业区不小于9米,有消防功能的道路,最小转弯半径为12米等。
通过将同一道路的两个道路边缘上对应的切点分别进行直线连接,则根据上述处理得到的圆弧以及这些直线,则得到道路交叉口区域的边界。
例如图8(a)所示的三维道路,将八个圆弧切点Q1与Q2,P2与Q3,P3与P4,Q4与P1连接起来就形成了图中阴影所示区域的道路交叉口。这种道路边缘的制作方法适用于交叉路口为三个或三个以上的平面交叉的道路交叉口。例如图8(b)的Y形平面交叉路口,通过连接其中的圆弧切点Q1与Q2,P2与P3,Q3与P1,即确定对应阴影部分的道路交叉口区域。
但是对于在同一道路包括第一道路边缘和第二道路边缘时,其中第一道路边缘不包括边缘交点,第二道路边缘包括边缘交点,例如图8(c)所示的T形平面交叉口,由于角DBC略小于π或等于π(即DBC为直线),其对应的一个道路边缘没有和其他道路对应的边缘交点,因此无法根据上述方式确定道路交叉口区域。
在这种情况下,也可以首先根据道路等级、道路设计的速度确定一个半径R,然后以此半径R在具有边缘交点上,对应边缘交点的夹角中分线上做一圆弧相切于两道路边缘。如图8(c)中左下角的圆弧P1SQ1。以圆弧P1SQ1作为道路边缘即完成了平面交叉路口的道路边缘的制作。另外,对于直线DBC对应的道路,分别经过该道路其中一个道路边缘对应的切点P1和P2,垂直该道路边缘作垂线,与其另一个道路边缘分别相交于W和V点。则根据直线P1W、P2V、Q1Q2、WV以及相应的圆弧P1SQ1、P2Q2,得到图8(c)所示的阴影部分区域的T形平面道路交叉口模型。
对于不规则T形交叉路口或者T形交叉路口的变形,都可以使用上述方式确定其道路交叉口区域。如图8(d)所示。
另外,在一个实施例中,可以根据上述道路转弯半径做圆弧得到的道路边缘切点,分别经过切点垂直对应的道路边缘向对应的二维道路,即道路中心线作垂线。根据同一道路的两个道路边缘分别在对应道路中心线的垂足,确定距离以二维道路数据表示的道路交叉点较远的垂足。然后将所得圆弧和确定的较远垂足对应的所述两个道路边缘之间的垂线作为道路交叉口区域的边界。也就是说,对以上的平面交叉路口区域的确定方法进行扩展,通过所有的切点作与之相切的道路边缘的垂线,并且根据垂线与道路中心线的交点到道路交叉点的距离取较大者,即可得到上述交叉路口区域。
下面,结合图8(e)和8(f)的具体实施例给出详细描述。
例如,在图8(e)中过Q1作二维道路BD的垂线交于O1,过Q2作BD的垂线交于O2。计算BO1和BO2的长度,可知BO1长度大于BO2。则取与较长的BO1相交的Q1W1作为交叉路口区域的边界。
对于四交叉口,运用相同的方法可以得到如图8(f)所示阴影部分的道路交叉口区域。
在得到上述道路交叉口区域之后,需要对其进行三角形网格化处理。对于圆曲线对应的区域部分,则需要将圆弧进行分点采样后再划分成多个三角形网格。关于本发明的圆弧网格化的采样点坐标确定,可以参考图9的实施例。
如图9所示,a、b、c为交叉路口道路边缘上的三个特征点,b点为边缘交点,e和f为圆弧与道路边缘的切点,首先计算出be和bf,且be=bf。在圆弧上取采样点。采样点P的坐标可以根据公式
在这里引入矢量是为了方便计算各点的坐标值。
参考图10(a)的实施例,将圆弧上所有相邻的点(包括圆切点和圆弧上的采样点)用直线相互连接起来,再将道路中心线上的道路交叉点B与这些点连接起来形成对应的三角形网格模型。对于道路交叉口区域的非圆弧部分,则同一道路上对应的边缘切点与道路交叉点即构成三角形的网格。例如图10(a)中的三角形Q1BQ2、P2BQ3等等。从而实现对全部道路交叉路口区域的网格化处理,得到三维道路交叉口模型。
运用相同的网格化方法可以对另一种方式得到的例如图8(e)和8(f)的交叉路口模型进行网格化处理,得到的三维道路交叉口模型例如图10(b)的实施例所示。
本发明可以根据仅由点、线段表示的简单道路平面交叉口几何数据及其属性数据,自动地制作成三维道路平面交叉口模型数据,在对道路进行铺装定义之后显示出来。不仅可以根据二维的地图道路数据实时动态地生成具有高仿真度的3D虚拟道路交叉口模型,还可以生成静态的3D道路交叉口模型数据并存储在计算机上。
由顶点和线段构成的三角形网格模型是三维模型的外观表现,这里,输入用于显示或者存储的三维模型数据是模型中所有三角形的顶点按照逆时针或顺时针的顺序组织起来的数据块。
这样,通过本发明则极大提高了地图道路的可使用性和3D建模的工作效率,可有效解决3D导航、城市规划、虚拟现实等应用领域内的道路三维模型建立缓慢的问题。
本发明的上述输入、输出处理的几乎所有过程都是自动完成的,这样可以大大加快3D道路模型化的速度,生成具有高度逼真和客观真实性的3D道路模型。本发明可以用于道路规划、虚拟现实、三维导航等领域中的三维道路自动建模。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (14)
1.一种三维道路交叉口的模型化方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
a)利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面;
b)从所述三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的边缘交点;
c)根据道路转弯半径和所述边缘交点,确定所述三维道路面中的道路交叉口区域;以及
d)对所述道路交叉口区域进行三角形网格化,以获得三维道路交叉口模型。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤a包括:
在所述二维道路两侧,以预定距离平行所述二维道路作一对平行线,以形成所述道路边缘;
其中所述一对平行线之间的距离构成所述特定宽度。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤b包括:
b1)以所述道路转弯半径为半径做圆弧分别与所述边缘交点对应的道路边缘相切;
b2)将所述三维道路面中同一道路的两个道路边缘上对应的切点分别进行直线连接;以及
b3)将所述圆弧和所述直线作为所述道路交叉口区域的边界。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,在所述同一道路包括第一道路边缘和第二道路边缘时,其中所述第一道路边缘不包括边缘交点,所述第二道路边缘包括边缘交点,所述步骤b2还包括:
分别经过所述第二道路边缘对应的切点,垂直所述第二道路边缘向所述第一道路边缘作垂线;以及
直线连接所述切点与所述第一道路边缘对应的垂足。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤b包括:
b1)以所述道路转弯半径为半径做圆弧分别与所述边缘交点对应的相交道路边缘相切;
b2)分别经过所述圆弧与所述道路边缘对应的切点,垂直所述道路边缘向对应的二维道路作垂线;
b3)根据同一道路的两个道路边缘分别对应所述二维道路的垂足,确定距离所述道路交叉点较远的垂足;以及
b4)将所述圆弧和所述较远垂足对应的所述两个道路边缘之间的直线作为所述道路交叉口区域的边界。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,在所述同一道路中包括第一道路边缘和第二道路边缘时,其中所述第一道路边缘不包括边缘交点,所述第二道路边缘包括边缘交点,所述步骤b2还包括:
分别经过所述第二道路边缘对应的切点,垂直所述第二道路边缘向所述第一道路边缘作垂线;以及
直线连接所述切点与所述第一道路边缘对应的垂足。
7.如权利要求3到6中任一项所述的方法,其特征在于,所述三角形网格化步骤包括:
在所述圆弧上划分多个采样点;
将所述采样点和所述圆弧对应的切点相邻依次连接;
分别连接所述道路交叉点与所述采样点、所述切点,形成三角形网格模型。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述二维道路数据通过以下步骤获得:
以道路中心线为基准,从道路的起点开始采集道路多个位置点的坐标信息;
在采集中判断当前位置点相对前一个位置点的偏转方位角是否不小于预定角度;以及
在所述偏转方位角不小于所述预定角度时,记录所述预定角度对应位置点的坐标信息以及距离前一个位置点的距离,以作为所述二维道路数据。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,在所述偏转方位角不小于所述预定角度时,进一步判断所述预定角度对应位置点距离前一个位置点的距离是否不小于预定值,在所述距离不小于所述预定值时,执行所述对应位置点的坐标信息和所述距离的记录。
10.一种三维道路交叉口的模型化装置,其特征在于,所述装置包括:
转化单元,所述转化单元利用包括道路交叉点的二维道路数据,将二维道路转化为具有特定宽度和道路边缘的三维道路面;
确定单元,所述确定单元从所述三维道路面中获取两两相交道路边缘对应的边缘交点,并根据道路转弯半径和所述边缘交点确定所述三维道路面中的道路交叉口区域;以及
网格化单元,所述网格化单元对所述道路交叉口区域进行三角形网格化,以获得三维道路交叉口模型。
11.如权利要求10所述的装置,其特征在于,所述转化单元在所述二维道路两侧以预定距离平行所述二维道路作一对平行线,以形成所述道路边缘。
12.如权利要求10所述的装置,其特征在于,还包括纹理铺装单元,所述纹理铺装单元利用道路属性数据对所述三维道路交叉口模型进行纹理铺装。
13.如权利要求12所述的装置,其特征在于,还包括显示单元,所述显示单元将纹理铺装的所述三维道路交叉口模型进行显示。
14.如权利要求10所述的装置,其特征在于,还包括存储单元,所述存储单元将所述三维道路交叉口模型对应的数据进行存储。
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