CN103616032A - 导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，属于智能交通领域，包括：在导航过程中持续计算当前位置与前方下一转向点的直线距离，当监测到距离变化时，调用透视投影参数计算函数，得到视点高度与俯视角度数值；在每次触发调用透视投影参数计算函数后，根据得到的视点高度与俯视角度数值，结合用户所处位置的电子地图，生成透视投影变换后的导航显示图，并将该显示图存储于缓冲区内。本发明还提供了一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置。本发明通过在引导过程中不断的调整视点高度与俯视角来动态变化地图显示区域与角度，从而给用户以连贯、舒适的用户体验和关键信息的呈现。

Description

导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及智能交通技术领域，特别涉及一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法及装置。

背景技术

在汽车导航设备提供驾车路线语音引导过程中，设备屏幕上所显示的由地图、行进路线以及转向箭头等组成的路线图示是指引用户行驶在正确路线、执行正确转向的关键信息。一般来说，路线图示由一张电子地图作为显示基础，车辆行进路线以区别于基础道路的高亮颜色叠加在地图之上，同时在行进路线上的转向或其他操作用箭头表现操作方向。

在导航过程中，驾车用户需要从路线图示上了解两类信息：“下一转向操作信息”和“前方道路总体情况”。“下一转向操作信息”让用户随时清楚下一操作，当该操作点临近时，用户需要时刻关注屏幕来了解操作细节，尤其如环岛类、多道路交会的复杂路口转向；“前方道路总体情况”为概括性信息，是能让用户一目了然前方远距离道路走向情况，尤其当用户行驶在高速公路时，屏幕更应为用户展现“前方道路总体情况”。

传统导航设备在语音引导过程中通常采用固定比例尺显示地图，由用户手动调节希望看到的前方区域，同时配以路口放大图或实景图。这种方式虽可以基本实现让用户了解“下一转向操作信息”和“前方道路总体情况”，但需要用户手动参与，并且路口放大图/实景图与原有道路显示不连贯，增加用户认知负荷。专利200610157914.4提供了一种针对转向路口的自动放大机制，但是这种方法需要首先针对道路数据中路口部分设定放大点，这种方式涉及到的数据处理工作量是巨大的。

另外，在导航过程中，现有设备通常都会采用带有一定俯视角的准三维视角来显示地图，这种视角对于增加“前方道路总体情况”信息有帮助，也增加了地图及道路显示的真实感。但是在导航过程中，前方道路的情况是在时刻变化的，当前方马上进入路口转向区域时，屏幕中需要把区域集中在路口区域，而当前为高速公路时，前方可视区域应该远至甚至形成在天边消失的感觉。

为了解决原有GPS导航系统中采用垂直俯视图的形式显示电子地图的现状，专利200610157831.5提出一套控制地图俯视角度的技术方案，通过一个透视投影计算函数集、一个电子地图数据库、连同导航图像生成模块、显示模块实现电子地图可以以一定俯视角度进行显示。

为了解决导航时导航图像需要用户手动切换比例尺，并且大比例尺下缺乏周边设施信息的问题，专利200610157914.4提出一种导航图像比例尺自动控制方法，通过预先配置比例尺放大点，旨在导航至放大点时平滑切换比例尺。

以上两件专利仅对俯视角度和地图比例尺进行了单独的创新设计，但并没有将两方面因素综合考虑。只有将俯视角随前方所需视野的渐变和比例尺随前方所需了解地图细节的渐变结合在一起，放入一个视角视高统一控制系统，才能给使用者带来真实并适时的体验。

另外，专利200810225066.5根据车辆行驶速度相应改变比例尺；专利200880129480.4提供一种3D导航模式中视角改变方法；专利201010548919.6也仅是一种地图比例尺随前方路况信息（如拐角点、车道、红绿灯、单行道等）变化的方案。这些专利都如前面说明，仅把注意力集中于俯视角或者比例尺。

综上所述，目前还没有一种能够随着前方转向点距离远近及前方道路形状特征而调整比例尺与俯视角的三维动态显示模型。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法及装置，用于实现随着前方转向点距离远近及前方道路形状特征而调整比例尺与俯视角的三维动态显示。

本发明提供了一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，包括：

在导航过程中持续计算当前位置与前方下一转向点的直线距离，当监测到距离变化时，调用透视投影参数计算函数，得到视点高度与俯视角度数值；

在每次触发调用透视投影参数计算函数后，根据得到的视点高度与俯视角度数值，结合用户所处位置的电子地图，生成透视投影变换后的导航显示图，并将该显示图存储于缓冲区内。

本发明还提供了一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置，包括：

电子地图数据库，用于存储电子地图中的路网、节点、行驶路径数据；

下一转向点距离监控模块，用于判断用户当前位置与下一转向点距离是否产生变化，当该距离变化时，发出指令，调用透视投影参数计算函数，并触发投影变换；

透视投影参数计算模块，用于根据所述用户当前位置与下一转向点的距离，通过透视投影参数计算函数，计算得到视点高度与俯视角度数值；

透视投影变换图像生成模块，用于根据所述视点高度与俯视角度数值，将平面二维电子地图变换为有单点透视效果的准三维导航显示图像，生成的导航显示图存储于缓冲区内。

本发明通过在引导过程中不断的调整视点高度与俯视角来动态变化地图显示区域与角度，从而给用户以连贯、舒适的用户体验和关键信息的呈现。

附图说明

图1为本发明实施例中的俯瞰概念示意图；

图2为本发明实施例中的视点高度与俯视角概念示意图；

图3为本发明实施例中高视点高度与小俯视角示意图；

图4为本发明实施例中低视点高度与大俯视角示意图；

图5为本发明实施例中视点高度与俯视角随距离逐渐变化示意图；

图6为本发明实施例提供的一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法流程图；

图7为本实施例采用的透视投影参数计算函数示意图；

图8为本发明实施例提供的一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

在导航地图显示上，现有技术方案仅单独考虑地图显示俯视角度或显示比例尺的动态变化和控制，本发明实施例意在通过结合以上二者来形成平滑流畅的导航体验和清晰恰当的信息显示。本发明实施例通过在引导过程中不断的调整视点高度与俯视角来动态变化地图显示区域与角度，从而给用户以连贯、舒适的用户体验和关键信息的呈现。

举例说明，如导航过程中遇到前方50米环岛右转时，需要以较低的视点（即地图大比例尺）和较大的俯视角（即较小的单点透视效果）显示，来保证转向操作清晰、较大并无大变形地显示在屏幕上；如前方5公里环岛右转时，需要以较高的视点（即地图小比例尺）和较小的俯视角（即较大的单点透视效果）来形成很远的视野来涵盖5公里外的转向点，在这种情况下，屏幕中可能会显示远方的天空区域。

整个导航过程是由一系列由远及近以至到达路口转向点的过程组成，到达某一路口转向点并通过后，进入下一个由远及近的过程。假如，取某一路口转向点后的点作为一个段落的起点，从此而后的下一转向点作为该段落的终点，那么整个导航过程就是这样的“段落”连接而成。

在上面的“段落”起始时，地图采用高视点小俯视角的方式显示，随着车辆前行和对于转向点的靠近，地图显示视点逐步降低，俯视角逐步增大，直至路口转向点处以低视点、大俯视角方式显示。当本段落结束，进入下一段落时，重新逐步调整视角来适应下一段落的情况。

以图1为例，可以仿照从空中俯瞰陆地的方式来实施本发明实施例，通过位于空中的“眼睛”向前俯瞰地面得到的景象相当于在导航中地图上显示的信息。其中，“下一转向点”是导航中对于用户当前位置来说的下一个操作点，这个转向点可以是“左转”、“右转”、“掉头行驶”、“进入环岛”等等，是这些所有操作的抽象概念点。

在图2中说明几个数量概念。这里仍然使用上面的“眼睛”俯瞰比喻，视点高度是“眼睛”所处在的高度，因此视点高度高对应着地图显示时的小比例尺，而低视点高度对应大比例尺地图。俯视角是以平视为基准向下俯视的角度，当同处于一样的视点高度时，俯视角越小，前方可视范围越远；反之，俯视角越大，可视范围越近越小。

基于以上概念，本实施例会根据前方与下一转向点距离来调整俯视角和视点高度。如图3，当前方距离下一转向点较远时，视点高度较高，俯视角较小。而当前方距离下一转向点较近，甚至即将转向时，视点高度较低，俯视角大，同时视野小并集中在转向区域，如图4。

本实施例描述的方法是将上面两个状态平滑地连接在一起，形成顺畅的视角变换体验，见图5。在图5这个典型过程中，自变量是用户当前位置与前方下一转向点间距离，而因变量有两个，即视点高度与俯视角；视点高度随着前方距离的缩小而降低，俯视角随着前方距离的缩小而增大，同时可视地图区域逐渐缩小，从前方广阔区域，缩小至转向点区域。图5描述了一个典型的向下一转向点由远及近的过程，而整个导航过程就是由N个这样的过程连续而成，在此不再复述。

图6为本发明实施例提供的一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法流程图，包括以下步骤：

步骤601、预先配置透视投影参数计算函数的相关参数，如最低视点高度值、最大俯视角度值、通过后上升速率，以及不同透视投影参数下的导航显示图像生成参数。

其中，“不同透视投影参数下的导航显示图像生成参数”指在生成透视投影后图像的过程中，除了视点高度和俯视角度外的其他所需参数，具体可参考现有技术。

本实施例采用的透视投影参数计算函数如图7所示：

以距离前方下一转向点距离为x，视点高度为y，俯视角度为θ，则：

y=ax²+bx+h  (x≥0)

其中，参数h为最低视点高度，a和b为视点变化形态控制参数，综合决定视点高度下落抛物线急缓，根据期望视点高度随前方距离缩短中的相应降低程度调整。以a=-0.1，b=1，h=0.1为例，即：

y=-0.1x²+x+0.1  (x≥0)

见图7，随着距离x值缩小，视点高度以抛物线形式下降，直至当x为0时，视点高度到达最低处。俯视角度随视点高度与前方距离的变化而变化，即：

θ=arctan(y/x)

此外，最低视点高度值以当地图显示比例尺为1:1000时视点高度为准，可以直接使用1:1000的倒数即1000，这样通过函数计算得到y后，即同时得到显示比例尺1/y；最大俯视角度建议值75°，因此当θ角度值达到此值后即保持此值，直到到达转向点，因为当俯视角度超出75°时，视觉效果将趋向于垂直俯视，失去三维效果。

步骤602、进入导航状态时，计算当前位置与前方下一转向点直线距离，调用透视投影参数计算函数，以距离值为参数，得到视点高度与俯视视角数值。

步骤603、持续计算当前位置与前方下一转向点距离，当监测到距离变化时，再次调用透视投影参数计算函数。随着距离值缩小，函数计算得到的视点高度减小，俯视角度增大；当导航至转向点时，即距离值为0时，计算结果得到最低视点高度值和最大俯视角度值；当通过转向点后，以高速率升高视点高度、减小俯视角度，以至达到由距离值计算得到的高度与俯视角。

步骤604、在每次触发透视投影参数计算函数后，根据得到的视点高度与俯视角度值，结合用户所处位置的电子地图，生成透视投影变换后的导航显示图，并将该显示图存储于缓冲区内。用户在行进中位置是时时变化的，随着位置的变化，即距前方转向点距离的实时变化，整个导航过程就是在不停的判断距离，并计算参数生成导航图像缓存。

缓冲区内的导航显示图像在硬件的显示频率下与用户当前位置同步对应显示。因为硬件设备（即显示屏）是以一定频率显示图像的，缓冲区内的导航图像，最终要匹配到硬件设备的显示频率上，然后显示出来。

所述转向点是导航过程中，当下一段道路与当前行驶道路不同，需要用户做出相应驾驶转向行为的地图道路上点位，如左转、右转、掉头、驶出主路点；下一转向点指从用户当前位置起，沿路线行驶方向的沿线下一个转向点。

图8为本发明实施例提供的一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置的结构图，包括：

透视投影参数计算函数参数配置模块81，用于配置计算时所采用的最低视点高度值、最大俯视角度值、通过后上升速率。

电子地图数据库82，用于存储电子地图中的路网、节点、行驶路径数据。

下一转向点距离监控模块83，用于判断用户当前位置与下一转向点距离是否产生变化，当该距离变化时，发出指令，调用透视投影参数计算函数，并触发投影变换。

透视投影参数计算模块84，用于根据判断用户当前位置与下一转向点距离，通过透视投影参数计算函数，计算得到符合函数中的平滑曲线的视点高度与俯视角度。

透视投影变换图像生成模块85，用于根据视点高度与俯视角度，模拟以该高度及角度俯视地面时的透视效果，将平面二维电子地图变换为有单点透视效果的准三维导航显示图像，生成的导航显示图存储于缓冲区内。该图像给人以空中俯瞰地面及前方道路的立体效果，当图像随用户位置移动而连续播放时更能体现导航时行进中的实际感觉。

导航显示图像显示模块86，用于将存储于缓冲区内的导航图像在硬件的显示频率下与用户当前位置同步对应显示。

通过在地图显示过程的投影变换中使用上述动态模型，可以实现本发明实施例所要达到的效果和解决的问题，根据地图导航过程中前方与下一转向点距离，同时动态调整地图显示比例尺和3D俯视角来优化地图可视区域和信息清晰度。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，其特征在于，包括：

在导航过程中持续计算当前位置与前方下一转向点的直线距离，当监测到距离变化时，调用透视投影参数计算函数，得到视点高度与俯视角度数值；

在每次触发调用透视投影参数计算函数后，根据得到的视点高度与俯视角度数值，结合用户所处位置的电子地图，生成透视投影变换后的导航显示图，并将该显示图存储于缓冲区内。

2.根据权利要求1所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，其特征在于，该方法进一步包括：

预先配置透视投影参数计算函数的相关参数，包括最低视点高度值、最大俯视角度值、通过后上升速率，以及不同透视投影参数下的导航显示图像生成参数。

3.根据权利要求2所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，其特征在于，所述透视投影参数计算函数包括：

以距离前方下一转向点距离为x，视点高度为y，俯视角度为θ，则：

y=ax²+bx+h  (x≥0)；

其中，参数h为最低视点高度，a和b为视点变化形态控制参数，根据期望视点高度随前方距离缩短中的相应降低程度调整，当a=-0.1，b=1，h=0.1时，

y=-0.1x²+x+0.1  (x≥0)；

θ=arctan(y/x)。

4.根据权利要求3所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，其特征在于，所述最低视点高度值以当地图显示比例尺为1:1000时视点高度为准，使用1:1000的倒数1000；所述最大俯视角度值为75°。

5.根据权利要求2、3或4所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，其特征在于，所述缓冲区内的导航显示图在硬件的显示频率下与用户当前位置同步对应显示。

6.根据权利要求5所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制方法，其特征在于，所述生成透视投影变换后的导航显示图的步骤具体包括：

根据所述视点高度与俯视角度数值，模拟以该高度及角度俯视地面时的透视效果，将平面二维电子地图变换为有单点透视效果的准三维导航显示图像。

7.一种导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置，其特征在于，包括：

电子地图数据库，用于存储电子地图中的路网、节点、行驶路径数据；

下一转向点距离监控模块，用于判断用户当前位置与下一转向点的距离是否产生变化，当该距离变化时，发出指令，调用透视投影参数计算函数，并触发投影变换；

透视投影参数计算模块，用于根据所述用户当前位置与下一转向点的距离，通过透视投影参数计算函数，计算得到视点高度与俯视角度数值；

透视投影变换图像生成模块，用于根据所述视点高度与俯视角度数值，将平面二维电子地图变换为有单点透视效果的准三维导航显示图像，生成的导航显示图存储于缓冲区内。

8.根据权利要求7所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置，其特征在于，该装置进一步包括：

透视投影参数计算函数参数配置模块，用于配置计算时所采用的最低视点高度值、最大俯视角度值以及通过后上升速率。

9.根据权利要求7或8所述的导航地图显示比例尺与三维视角自动控制装置，其特征在于，该装置进一步包括：

导航显示图显示模块，用于将存储于缓冲区内的导航显示图在硬件的显示频率下与用户当前位置同步对应显示。

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