CN104217580B - 面向车辆群组动画的路网语义建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向车辆群组动画的路网语义建模方法及系统，其中该方法包括如下步骤，获取车道线矢量数据；对该车道线进行曲线拟合得到车道线曲线；将该车道线曲线进行数据离散化压缩得到车道线离散折线；根据该车道线离散折线的打断规则，对该车道线离散折线进行打断和合并；将构成该车道线离线折线的结点进行语义信息赋值，得到车道线语义数据，作为原子层数据；根据该原子层数据计算并储存各车道之间的连接和邻接等关系，继而生成路段、路口、道路等层次结构数据，根据该层次结构数据可获知信号灯分配等信息。

Description

面向车辆群组动画的路网语义建模方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机仿真建模领域，特别涉及交通仿真建模领域。

背景技术

车辆运动是虚拟城市场景中的一项重要组成部分。大量三维虚拟仿真中都需要融入逼真的车辆模拟效果，如virtual earth(微软虚拟地球),city engine(城市引擎),city life(城市生活)等应用软件及游戏。因此，随着计算机图形学技术的迅速发展，车辆群组动画技术吸引了不少学者的研究。

路网作为车辆运动行为发生的载体，在车辆群组动画模拟中起着根基性的作用。合理有效的路网语义模型，不仅可以大大提高车辆模拟仿真的质量和效率，还可以减少数据输入量和手工设置(如平面交叉路口处不同方向信号灯的冲突协调)。

目前已有不少用于路网建模的方法。这其中一部分方法是为了实现虚拟场景的构建。该类模型仅关注道路矢量数据的生成，不关心道路之间的拓扑关系，所以模型无法直接用于车辆运动模拟。为了实现交通模拟以及运动导航等，一些学者在几何信息基础上增加了拓扑语义信息。这类模型在较粗力度上描述路网，主要关注于道路之间的邻接和连接关系，用于车辆群组动画时，存在如下两个突出问题：首先，这些模型无法实现路口处各冲突方向的自动协调，所有平面交叉路口处都需要额外输入信号灯等数据或通过手工设置来处理这些线路冲突，工作量大且极易产生错误；其次，模型用于车辆运动仿真时，求取车辆位置坐标和方向角时需要查找计算和数值逼近计算，比较耗时，影响实时动画仿真的效率。

总结来说，现有的路网建模方法之所以存在上述问题，是因为这些模型一般是用于交通模拟和预测分析，信号灯等数据已经是已知的。并且交通模拟主要关注路段信息，不需要知道车辆的具体坐标和方向角等信息。而信号灯信息自动生成和车辆坐标方向角获取，是车辆动画仿真所必须的。我们进一步研究发现，要解决现有路网模型用于车辆动画仿真时存在的问题，可以通过扩展定义车道线语义，并在其上定义层次语义数据，就可以在保证较少的数据输入量的前提下，更好的辅助于车辆动画仿真。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出了一种面向车辆群组动画的路网语义建模方法及系统，本发明的目的是解决当前路网模型用于车辆动画仿真中需要大量繁琐的数据输入和设置，以及车辆动画仿真时获取路网数据效率较低的问题。本发明能够实现仅输入车道线矢量数据(任意表示方式，可粗糙可精细)，就可以有效的满足车辆动画仿真所需要的数据信息。

为达到上述目的，本发明公开了一种面向车辆群组动画的路网语义建模方法，包括：原子层数据生成步骤和层次结构数据生成步骤，该原子层数据生成步骤包括：

步骤1，获取车道线矢量数据；

步骤2，对该车道线矢量数据进行曲线拟合得到对应的曲线数据；

步骤3，将该曲线数据进行数据离散化压缩得到该曲线数据对应的离散折线数据；

步骤4，根据该车道线的打断规则，对该离散折线数据进行打断和合并；

步骤5，将构成该离散折线的结点进行语义信息赋值，得到车道线语义数据(Lane)，作为原子层数据；

该层次结构数据生成步骤包括：

步骤6，基于该原子层数据，根据该车道线之间的邻接关系信息自动生成路段(Link)；

步骤7，基于该原子层数据，根据该车道线之间的连接关系信息自动生成连接点(Connector)；

步骤8，根据该路段和该连接点以及该车道线之间的相交关系自动生成路口(Intersection)；

步骤9,根据该路段之间的连接关系得到道路(Road)。

所述的车道线矢量数据包括线路车道线和路口车道线，路口车道线指的是路口处根据车辆的可行驶路线额外添加的线路；

所述的曲线拟合一般采用样条插值等方法；

所述的打断规则为：平均距离在指定阈值内的不同车道线的线型相同、走向相同，长度相等；构成该车道线离散折线的点列内部的结点的出度和入度分别等于1。

所述赋予的语义信息包括：该结点距该车道线离散折线起点沿该车道线离散折线的总长度，该结点与后面相邻结点构成的向量方向角。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模方法，该原子层数据用于定义并生成层次结构数据，该层次结构数据包括，路段，连接点，路口，路；

该路段指具有相同几何线形的车道线以及该些车道线的父辈车道线类型为路口的车道线的集合。

该路口，指满足指定关系的连接点的集合，该路口生成时，可采用标记的方法快速生成。

本发明还涉及一种面向车辆群组动画的路网语义建模系统，其特征在于，包括，原子层数据生成模块和层次结构数据生成模块；该原子层数据生成模块包括：

数据输入模块，用于获取车道线矢量数据；

曲线拟合模块，用于对该车道线矢量数据曲线拟合，得到对应的曲线数据；

数据离散模块，将该曲线数据进行数据离散化压缩得到该曲线数据对应的离散折线数据；

打断合并模块，根据打断规则，对离散折线数据进行打断和合并；

语义赋值模块，用于将构成该车道线离线折线的结点进行语义信息赋值得到车道线语义数据，作为原子层数据；

该层次结构数据生成模块包括：

路段生成模块，基于该原子层数据，根据该车道线之间的邻接关系信息自动生成路段；

连接点生成模块，基于该原子层数据，根据该车道线之间的连接关系信息自动生成连接点；

路口生成模块，根据该路段和该连接点以及该车道线之间的相交关系自动生成路口；

路生成模块,根据该路段之间的连接关系得到路。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该车道线包括线路车道线和路口车道线。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该打断规则包括：

平均距离在指定阈值内的不同车道线的线型相同、走向相同，长度相等；

构成该车道线离散折线的点列内部的结点的出度和入度分别等于1。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该结点包含的语义信息包括从该离散折线起点沿该离散折线到该点的总长度以及相邻两点构成的向量的方向角。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该原子层数据用于定义并生成该层次结构数据，该层次结构数据包括，路段，连接点，路口，路；该路段指具有相同几何线形的车道线以及该些车道线的父辈车道线类型为路口的车道线的集合；该路口，指满足指定关系的连接点的集合，该路口生成时，可采用标记的方法快速生成。

综上，本发明的优点在于：

原子层数据生成模块，实现了以更少的内存存储更高质量的数据，使得既能够保证模拟仿真时车辆运动的平滑性，又能够提高车辆坐标、方向角计算的效率；

层次结构数据生成模块，通过指定关系自动生成了Intersection，不仅方便了不同线路之间的管理，还可以自动的生成路网内通行权配置方案，实现将空间维上冲突的线路在时间维度上的分离；

最重要的是，只需较少的输入数据量(仅需车道线矢量数据)，就可以全自动快速的生成所有路网语义数据信息，包括路段、连接点、路口等信息，极大的方便了其在虚拟仿真中的应用，如信号灯的相位自动生成、车辆位置坐标方向角的快速获得等。

附图说明

图1为本发明原子层数据生成步骤；

图2为本发明层次结构数据生成步骤；

图3为面向车辆群组动画的路网语义建模系统示意图；

图4为车道线示意图。

具体实施方式

下面给出具体实施方式，结合附图对本发明做出详细的描述，但不作为对本发明的限定。

本发明的目的是解决当前路网模型用于车辆动画仿真中需要大量繁琐的数据输入和设置，以及车辆动画仿真时获取路网数据效率较低的问题。本发明能够实现仅输入车道线矢量数据(任意表示方式，可粗糙可精细)，就可以有效的满足车辆动画仿真所需要的数据信息。

为达到上述目的，如图1和图2所示，本发明提供一种面向车辆群组动画的路网语义建模方法，包括：

原子层数据生成步骤，对输入车道线矢量数据进行离散化再压缩，并赋予指定语义信息，得到广义的车道线的语义数据，作为原子层数据；

层次结构数据生成步骤，根据该原子层数据计算并储存各Lane之间额连接和邻接等关系，继而生成该层次结构数据，根据该层次结构数据可获知信号灯分配等信息。

该原子层数据生成步骤包括：

步骤1，获取车道线矢量数据

步骤2，对该车道线矢量数据采用曲线拟合技术，例如样条函数、多项式逼近等，得到对应的曲线数据；

步骤3，将该曲线数据采用数据离散化压缩算法如Douglas-Peucker算法得到离散折线数据；

步骤4，根据该车道线的打断规则，对该离散折线数据进行打断和合并；

步骤5，将构成该离线折线的结点进行语义信息赋值，生成车道线的语义数据，作为原子层数据。

具体实施时，步骤1要求输入的车道线是包含路口车辆行驶轨迹曲线的车道线。并且，若输入车道线矢量数据若为曲线表达式，则步骤1可直接跳过。

该车道线折线数据打断与合并的规则为：

指定阈值内的不同车道线线型相同、走向相同，长度相等；

构成该车道线离散折线的点列内部结点的出度和入度分别等于1。

该Lane要求包含：

Lane用来描述车辆沿线路的运动轨迹，如图4所示，不仅包括实际意义上的道路，还包括路口处额外添加用来描述可行驶方向的轨迹曲线，分别将之命名为线路Lane和路口Lane，其中黑色虚框线内为路口Lane；

Lane曲线采用离散点列存储，满足一定阈值内的“光滑性”，光滑性指的是离散点与以这些点拟合的曲线之间的距离小于用户指定的阈值，该指定阈值是指用于动画仿真时，该指定阈值一般设为0.2米左右即可满足光滑性需求，用户根据对数据光滑性的需求度决定指定阈值大小，值越小，数据质量越高，但是所需内存也越高；相反，值越大，数据质量越低，但是所需内存也越少。

该车道线离散折线结点包含的语义信息包括：该结点距该车道线离散折线起点沿该车道线离散折线的总长度，该结点与后面相邻结点构成的向量的方向角。

如图2所示该层次结构数据生成步骤还包括：

步骤6，基于上述原子层数据，根据Lane之间的邻接关系信息生成该层次结构数据中的Link；

步骤7，基于上述原子层数据，根据Lane之间的连接关系信息生成该层次结构数据中的Connector；

步骤8，根据Link和Connector的信息以及Lane之间的相交关系生成组织路口的intersection；

步骤9，根据Link之间的连接关系可以得到Road。

该路网层次语义数据包括：

Link：指的是具有相同几何线型的Lane以及这些Lane的父辈Lane类型为路口的Lane。主要是描述Lane与Lane之间的邻接关系信息，两条Lane具有邻接关系指的是车辆在一条Lane上通过一次换道(向左换道或向右换道)，可以进入另一条Lane；

Connector，用来描述Link与Link之间的连接关系，连接的这两个Link分别称为该Connector的fromLink(前继路段)和toLink(后继路段)；

Intersection，指的是满足指定关系R的Connector的集合，直观上理解为一个路口处涉及到的所有路段之间的拓扑连接关系的集合；

其中指定关系R满足如下条件：

任意两个Connector a和b，若a和b有共同的fromLink或共同的toLink，则aRb；

任意两个Connector a、b、c，若aRb，bRc成立，则aRc成立；

Road用于描述道路，由一系列相连的Link和Intersection组成。

具体实施时，可采用标记的方法快速生成所有的Intersection，避免一个Connector被多次搜索，即一旦一个Connector被检索，则对其做标记，并查找得出和该Connector具有指定关系R的所有Connector，也相应做标记，后续查找该Connector时跳过该些Connector。

如图3本发明还涉及一种面向车辆群组动画的路网语义建模系统，所示包括如下模块：

原子层数据生成模块，对输入的车道线矢量数据进行离散化再压缩，并赋予指定语义信息，得到原子层数据Lane；

层次结构数据生成模块，根据该原子层数据Lane计算并生成路网层次语义数据。

该原子层数据生成模块还包括：

输入模块，输入车道线矢量数据；

曲线拟合模块，用于采用曲线拟合技术得到车道线矢量数据对应的曲线数据；

曲线离散化模块，用于将该曲线采用数据离散化压缩算法得到离散折线数据；

打断合并模块，根据该车道线的打断规则，对该车道线离散折线数据进行打断和合并；

语义赋值模块，用于将构成该车道线离线折线的结点进行语义信息赋值；

该层次结构数据生成模块，还包括：

Link生成模块，根据Lane之间的邻接关系信息生成该层次结构数据中的Link；

Connector生成模块，根据Lane之间的连接关系信息生成该层次结构数据中的Connector；

Intersection生成模块，根据结点和连接点的信息以及Lane之间的相交关系生成组织路口的Intersection；

Road生成模块,根据Link之间的连接关系可以得到Road，最终输出路网数据。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该车道线包括线路车道线和路口车道线。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该打断规则包括：

平均距离在指定阈值内的不同车道线的线型相同、走向相同，长度相等；

构成该车道线离散折线的点列内部的结点的出度和入度分别等于1。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该结点包含的语义信息包括从该车道线离散折线起点沿该折线到该点的总长度以及相邻两点构成的向量方向角。

所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，该原子层数据用于定义并生成该层次结构数据，该层次结构数据包括，路段，连接点，路口，路；该路段指具有相同几何线形的车道线以及该些车道线的父辈车道线类型为路口的车道线的集合；该路口，指满足指定关系的连接点的集合，该路口生成时，可采用标记的方法快速生成。

根据上述该原子层语义数据生成模块和该层次结构数据生成模块，可以极大的方便车辆动画的仿真，首先体现在车辆坐标位置的更新上，只需要一次线性插值就可以得到车辆的坐标信息和方向角信息；其次体现在可以全自动的生成路口处的交通相位以及默认的信号灯配置方案，该些信息通过逆向查找Intersection→Connector→Link→Lane得到。

Claims (10)

1.一种面向车辆群组动画的路网语义建模方法，其特征在于，包括

步骤1，获取车道线矢量数据；

步骤2，对该车道线矢量数据进行曲线拟合得到对应的曲线数据；

步骤3，将该曲线数据进行数据离散化压缩得到该曲线数据对应的离散折线数据；

步骤4，根据该车道线的打断规则，对该离散折线数据进行打断和合并；

步骤5，将构成该离散折线的结点进行语义信息赋值，得到车道线的语义数据，作为原子层数据；

步骤6，基于该原子层数据，根据该车道线之间的邻接关系信息自动生成路段；

步骤7，基于该原子层数据，根据该车道线之间的连接关系信息自动生成连接点；

步骤8，根据该路段和该连接点以及该车道线之间的相交关系自动生成路口；

步骤9,根据该路段之间的连接关系得到道路。

2.如权利要求1所述面向车辆群组动画的路网语义建模方法，其特征在于，该车道线包括线路车道线和路口车道线。

3.如权利要求1所述面向车辆群组动画的路网语义建模方法，其特征在于，该打断规则包括：

平均距离在指定阈值内的不同车道线的线型相同、走向相同，长度相等；

构成该离散折线点列的内部结点的出度和入度分别等于1。

4.如权利要求1所述面向车辆群组动画的路网语义建模方法，其特征在于，该结点包含的语义信息有：该结点距该离散折线起点沿该离散折线的总长度，以及该结点与后面相邻结点构成的向量的方向角。

5.如权利要求1所述面向车辆群组动画的路网语义建模方法，其特征在于，该原子层数据用于定义并生成层次结构数据，该层次结构数据包括，路段，连接点，路口，道路；路段指具有相同几何线形的车道线以及该车道线的父辈车道线类型为路口的车道线的集合；该路口，指满足指定关系的连接点的集合，该路口生成时，可采用标记的方法快速生成。

6.一种面向车辆群组动画的路网语义建模系统，其特征在于，包括原子层数据生成模块和层次结构数据生成模块，该原子层数据生成模块包括：

数据输入模块，用于获取车道线矢量数据；

曲线拟合模块，用于对该车道线矢量数据曲线拟合，得到对应的曲线数据；

曲线离散化模块，将该曲线数据进行数据离散化压缩得到该曲线数据对应的离散折线数据；

打断合并模块，根据该车道线的打断规则，对该离散折线数据进行打断和合并；

语义赋值模块，用于将构成该车道线离线折线的结点进行语义信息赋值得到车道线语义数据，作为原子层数据；

该层次结构数据生成模块包括：

路段生成模块，基于该原子层数据，根据该车道线之间的邻接关系信息自动生成路段；

连接点生成模块，基于该原子层数据，根据该车道线之间的连接关系信息自动生成连接点；

路口生成模块，根据该路段和该连接点以及该车道线之间的相交关系自动生成路口；

道路生成模块,根据该路段之间的连接关系得到道路。

7.如权利要求6所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，其特征在于，该车道线包括线路车道线和路口车道线。

8.如权利要求6所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，其特征在于，该打断规则包括：

平均距离在指定阈值内的不同车道线的线型相同、走向相同，长度相等；

构成该车道线离散折线的点列内部的结点的出度和入度分别等于1。

9.如权利要求6所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，其特征在于，该结点包含的语义信息包括从该离散折线起点沿该离散折线到该结点的总长度以及相邻两点构成的向量的方向角。

10.如权利要求6所述面向车辆群组动画的路网语义建模系统，其特征在于，该原子层数据用于定义并生成该层次结构数据，该层次结构数据包括，路段，连接点，路口，路；该路段指具有相同几何线形的车道线以及该车道线的父辈车道线类型为路口的车道线的集合；该路口，指满足指定关系的连接点的集合，该路口生成时，可采用标记的方法快速生成。