CN111535099B - 一种可实时交互的三维微观公路网生成方法 - Google Patents

一种可实时交互的三维微观公路网生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实时交互的三维微观公路网生成方法，主要包括前端交互部分和框架部分，框架的原理是一个由节点、路段和车道结合形成的有向图，节点部分表示道路的端点，具有道路衔接处和交叉路口的处理功能；路段部分是定义在两个节点之间的贝塞尔曲线，以控制该路段下车道的整体形状；车道则分为两种，一是在节点中用于衔接两个路段的车道，二是在路段中用来衔接两个节点的车道。本发明是较为精确的路网自动生成框架，借助相关实时开发平台，能够清晰地表现路网的几何形状，方便开发或规划人员迅速建立并调整道路形状与位置、车道数量与方向等属性，并且能够根据节点处的道路连接情况自动生成交叉路口的通行逻辑。

Description

一种可实时交互的三维微观公路网生成方法
技术领域
本发明涉及城市交通运维的领域，具体涉及一种可实时交互的三维微观公路网生成方法。
背景技术
随着城市化进程的不断推进，交通治理的难度日益凸显，交通运维的概念应运而生。交通运维系统是目前城市交通规划和科学管理的重要参考。交通运维是一项对交通运动在时空维度上的改变进行跟踪描述、并用于指导城市交通规划的技术，根据其关注的粒度，可大体分为宏观和微观两个层次。宏观交通运维主要根据交通承载量研究更合理的资源配置，通常不需要建立精细的道路模型。微观交通运维需要借助道路监控，依据车与车之间、车与环境之间的作用关系，建立精确可控的道路模型，并生成结构化数据以指导分析；其关注的角度多种多样，从路口通行规则到弯道曲率等不尽相同。交通部门通过在系统中的监视和调控，可以详细了解交通状况并建立完善的运输体系，进而缓解交通拥堵并充分发挥交通设施的效益。真实可靠的路网正是交通运维系统的基石，然而现有的路网自动生成工具关注的粒度较大，难以精确表现每一条道路的形状和其中的车道排布，对微观级别的交通要素(比如路口和匝道)束手无策，无法对道路上运行的单个车辆进行全方位的监控，因此往往只能用于规划阶段的宏观指导和运作阶段的承载量运维调控。因此，建立几何形状更精确、车道位置关系更拟真的微观路网是焦点。微观路网可以在运维监控中准确反映出车辆的外部运行状况和在道路上的位置变化，从而将运维监控的视觉信息和处理后的结构化信息之间的误差最小化，提供更可靠的运维监测数据，这对城市路网监控有着重要的意义。
在交通运维领域，现有的路网生成方法普遍存在如下缺点：道路几何形状是二维平面的直线段，并且使用多段线段(Polyline)来拟合曲线道路，没有提供弯道的生成方法。这样虽然可以快速建立交通语义和减小计算量，但此种策略的缺点也显而易见，一是牺牲了几何计算的精度，真实道路和拟合的道路相比，长度等属性可能相差较大，最终导致监控的视觉信息和结构化数据之间的转化误差较大；二是对于有高度变化的道路模块(如立交桥和隧道)来说，表示也不够直观。为了和以线段为基本单元的生成模式相适应，一旦路网建立完毕，形状和位置的微调就会变得繁琐；加上可视化操作和运行效果多在二维空间中呈现，对用户而言不够直观，上手难度较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种可实时交互的三维微观公路网生成方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种可实时交互的三维微观公路网生成方法，主要包括前端交互部分和框架部分，框架的原理是一个由节点、路段和车道结合形成的有向图，节点部分表示道路的端点，具有道路衔接处和交叉路口的处理功能；路段部分是定义在两个节点之间的贝塞尔曲线，以控制该路段下车道的整体形状；车道则分为两种，一是在节点中用于衔接两个路段的车道，二是在路段中用来衔接两个节点的车道；框架主要包含以下内容：
(1)路段生成：路段形状由三阶贝塞尔曲线控制，四个控制点顺次表示为A、B、C、D，端点位置即为节点位置，把AB延长线和DC延长线的交点E作为新的控制点，只需控制E的位置，根据比例k在AE和DE上求出新的BC的位置，生成平滑合理的曲线形状，在需要得到直线时，则直接设置E为AD的中点；
(2)路段中车道的生成：采用直接获取近似曲线的策略，方法为：
对路段的右侧某车道，对于原路段曲线B(·)及其控制点ABCDE，要得到其所包含某右侧车道曲线B′(·)，首先获取起点A和终点D的等距偏移点A′和D′，偏移的方向通过右手法则和左手法则叉乘得到，偏移的距离为该车道的累计宽度，在A′处的切向为
Figure GDA0002554586200000021
在D′处的切向为
Figure GDA0002554586200000022
由此求出在A′处方向为
Figure GDA0002554586200000023
的直线和在D′处方向为
Figure GDA0002554586200000024
直线的交点E′，最后在
Figure GDA0002554586200000025
上求出B′，在
Figure GDA0002554586200000026
上求出C′，得到B′(·)的全部控制点A′B′C′D′E′，左侧车道的生成方法与之类似；
计算得到的每条车道曲线进行距离采样、建立距离表，为计算曲线上到起点路程为x的点，在车道方程BL(t)中求得t＝1/16，2/16，3/16…15/16,16/16时的累计路程并建表，并根据x所在的区间范围进行四次二分查找，并对最后的tmin和tmax进行插值，得到较精确的最终位置；
(3)节点的生成：节点是所连路段的端点，其直径为所连路段中宽度的最大值，当节点仅连接一条路段时，不需对节点进行任何操作；当节点所连路段不止一条时，则需要在节点处生成平滑的衔接车道来连接不同路段。
所述节点处生成平滑的衔接车道主要步骤有四步：
(1)求出道路两侧和其他道路的交点；
(2)根据交点的连线在车道上截取端点；
(3)根据车道曲线端点生成子曲线；
(4)根据子曲线生成节点内的衔接车道。
所述路段生成中比例k值的计算原理为：用贝塞尔曲线拟合圆弧，仅考虑1/4圆弧，使得曲线能近似半径为R的圆弧，则由三阶贝塞尔的表达式:
B(t)＝(1-t)3A+3t(1-t2)B+3t2(1-t)＜+t3D，t∈[0，1]
得，在t＝0.5时，曲线上的点需对应圆弧上的中点
Figure GDA0002554586200000027
由此可列出方程并求解得：
Figure GDA0002554586200000028
k值作为默认值用于所有路段中。
曲线可以用函数来表示，B(t)中的B(·)指自变量和因变量的对应关系，t为自变量，取值范围为0到1。可以这么理解：对于平面上给定的四个控制点ABCD，若让t从0到1变化，那么由B(t)这个式子计算得到的结果也会跟着变化，这个结果的变化过程会形成一个曲线。这就是B(t)的含义。
所述前端交互部分使用Unity引擎实现，通过自定义Editor在编辑模式下实时查看结果。
本发明的有益效果为：本发明是较为精确的路网自动生成框架，借助相关实时开发平台，能够清晰地表现路网的几何形状，方便开发或规划人员迅速建立并调整道路形状与位置、车道数量与方向等属性，并且能够根据节点处的道路连接情况自动生成交叉路口的通行逻辑；框架的操作通过拖、拉、拽即可完成，用户可以实时看到通行路线连接状况的变化，因此可以有效降低建立可用路网的时间成本，获取更精确的道路监控信息；框架以贝塞尔曲线为基础，可以在三维空间中自由建立道路节点并修改道路形状，在节点处自动生成平滑合理的过渡车道，并支持实时调整其中车道的分布和可用性。
附图说明
图1为本发明的原理结构示意图。
图2为本发明的有向图示意图。
图3为本发明的贝塞尔曲线拟合圆弧示意图。
图4为本发明的车道的生成示意图。
图5为本发明的节点的生成示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种可实时交互的三维微观公路网生成方法，主要包括前端交互部分和框架部分，前端交互部分使用Unity引擎实现，通过自定义Editor在编辑模式下实时查看结果。框架的原理是一个由节点、路段和车道结合形成的有向图，节点部分表示道路的端点，具有道路衔接处和交叉路口的处理功能；路段部分是定义在两个节点之间的贝塞尔曲线，以控制该路段下车道的整体形状；车道则分为两种，一是在节点中用于衔接两个路段的车道，二是在路段中用来衔接两个节点的车道；框架主要包含以下内容：
(1)路段生成：路段形状由三阶贝塞尔曲线控制，四个控制点顺次表示为A、B、C、D，端点位置即为节点位置，至于控制点位置，我们为了简化操作和方便计算车道(需要近似求得等距曲线)，把AB延长线和DC延长线的交点E作为新的控制点，这样只需控制E的位置，即可根据比例k在AE和DE上求出新的BC的位置，生成平滑合理的曲线形状，在需要得到直线时，则直接设置E为AD的中点；
(2)路段中车道的生成：此类车道的形状即为路段形状的等距曲线，一般采用的方法是用多段线段拟合曲线后，等距地偏移多段线段的各个端点，然而此类方法在曲线曲率较大的时候，偏移后的多段线段会交叉，所以我们采用直接获取近似曲线的策略，然而由贝塞尔曲线的性质可得，我们无法得到完美的等距曲线，所以只能通过某种方式近似，方法如下：
对路段的右侧某车道，对于原路段曲线B(·)及其控制点ABCDE，要得到其所包含某右侧车道曲线B′(·)，首先获取起点A和终点D的等距偏移点A′和D′，偏移的方向通过右手法则和左手法则叉乘得到，偏移的距离为该车道的累计宽度，然后，因为等距曲线在各个点的切向应当一致，所以在A′处的切向为
Figure GDA0002554586200000041
在D′处的切向为
Figure GDA0002554586200000042
由此求出在A′处方向为
Figure GDA0002554586200000043
的直线和在D′处方向为
Figure GDA0002554586200000044
直线的交点E′，最后在
Figure GDA0002554586200000045
上求出B′，在
Figure GDA0002554586200000046
上求出C′，即可得到B′(·)的全部控制点A′B′C′D′E′，左侧车道的生成方法与之类似；
计算得到的每条车道曲线进行距离采样、建立距离表，为计算曲线上到起点路程为x的点，在车道方程BL(t)中求得t＝1/16，2/16，3/16…15/16,16/16时的累计路程并建表，BL(t)用来统一指代任意车道的曲线函数，并根据x所在的区间范围进行四次二分查找，并对最后的tmin和tmax进行插值，得到较精确的最终位置；此种策略平衡了存储空间和计算速度，在我们的Unity应用场景下误差为厘米级别。
每条车道的宽度可控，宽度改变后其外侧的车道位置随之调整，在最外侧车道的外侧，是路段的边缘曲线，生成方式与车道相同；
(3)节点的生成：节点是所连路段的端点，其直径为所连路段中宽度的最大值，当节点仅连接一条路段时，不需对节点进行任何操作；当节点所连路段不止一条时，则需要在节点处生成平滑的衔接车道来连接不同路段。
所述节点处生成平滑的衔接车道主要步骤有四步：
(1)求出道路两侧和其他道路的交点；
(2)根据交点的连线在车道上截取端点；
(3)根据车道曲线端点生成子曲线；
(4)根据子曲线生成节点内的衔接车道。
首先要计算道路边缘交点。下面以两条路段的连接为例：
当两路段在节点处的夹角为锐角时，为了避免夹角过小导致内侧车道的交叉，需要求出两路段在内侧边缘的交点。假设车辆在路段P(宽度的一半为R)行驶至节点N后，转弯进入路段Q(宽度的一半为)，两路段的夹角为r，那么根据几何学原理：
(1)若θ为锐角，交点距P内缘曲线终点的距离为：
Figure GDA0002554586200000047
与之类似，距Q内缘曲线起点的距离为：
Figure GDA0002554586200000048
(2)若夹角为直角，则有D＝D′＝Max(R,r)。
(3)若夹角为钝角(90°，135°)，则交点距P内缘曲线终点的距离为：
Figure GDA0002554586200000049
距Q内缘曲线起点的距离为：
Figure GDA0002554586200000051
(4)若夹角为钝角(>135°)，则同样有D＝D′＝Max(R,r)。值得注意的是，若节点仅连接两个路段，为了统一形式并方便计算，路段P的左侧路段和右侧路段都为Q，此时必有一个夹角为为优角(指大于180°而小于360°的角)，可归入此情况(4)中。
根据上述四种情况分别求出一条路段左右两侧的距离后，交点X和X′的连线与各个车道曲线的交点(如Y和Y′)即为车道的实际端点。那么根据贝塞尔曲线性质，在原曲线B(t)上取两点B(t0)和B(t1)，且(0≤t0＜t1≤1)，那么以B(t0)和B(t1)为端点的子曲线的四个控制点为：
Figure GDA0002554586200000052
其中，u0＝1-t0，u1＝1-t1。
最后再根据车道在子曲线端点处的切向，即可生成节点处的衔接车道。
所述路段生成中比例k值的计算原理为：用贝塞尔曲线拟合圆弧，仅考虑1/4圆弧，使得曲线能近似半径为R的圆弧，则由三阶贝塞尔的表达式:
B(t)＝(1-t)3A+3t(1-t2)B+3t2(1-t)＜+t3D，t∈[0，1]
得，在t＝0.5时，曲线上的点需对应圆弧上的中点
Figure GDA0002554586200000053
由此可列出方程并求解得：
Figure GDA0002554586200000054
k值作为默认值用于所有路段中。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种可实时交互的三维微观公路网生成方法，其特征在于：主要包括前端交互部分和框架部分，框架是一个由节点、路段和车道结合形成的有向图，节点部分表示道路的端点，具有道路衔接处和交叉路口的处理功能；路段部分是定义在两个节点之间的贝塞尔曲线，以控制该路段下车道的整体形状；车道则分为两种，一是在节点中用于衔接两个路段的车道，二是在路段中用来衔接两个节点的车道；框架主要包含以下内容：
(1)路段生成：路段形状由三阶贝塞尔曲线控制，四个控制点顺次表示为A、B、C、D，端点位置A、D即为节点位置，把AB延长线和DC延长线的交点E作为新的控制点，只需控制E的位置，根据比例k在AE和DE上求出新的BC的位置，生成平滑合理的曲线形状，在需要得到直线时，则直接设置E为AD的中点；
(2)路段中车道的生成：采用直接获取近似曲线的策略，方法为：
对路段的右侧某车道，对于原路段曲线B(·)及其控制点ABCDE，要得到其所包含某右侧车道曲线B′(·)，首先获取起点A和终点D的等距偏移点A′和D′，偏移的方向通过右手法则或左手法则叉乘得到，偏移的距离为该车道的累计宽度，在A′处的切向为
Figure FDA0003115093460000011
或
Figure FDA0003115093460000012
在D′处的切向为
Figure FDA0003115093460000013
或
Figure FDA0003115093460000014
由此求出在A′处方向为
Figure FDA0003115093460000015
的直线和在D′处方向为
Figure FDA0003115093460000016
直线的交点E′，最后在
Figure FDA0003115093460000017
上求出B′，在
Figure FDA0003115093460000018
上求出C′，得到B′(·)的全部控制点A′B′C′D′E′，左侧车道的生成方法与之类似；
计算得到的每条车道曲线进行距离采样、建立距离表，为计算曲线上到起点路程为x的点，在车道方程BL(t)中求得t＝1/16，2/16，3/16…15/16,16/16时的累计路程并建表，并根据x所在的区间范围进行四次二分查找，并对最后的tmin和tmax进行插值，得到最终位置；
(3)节点的生成：节点是所连路段的端点，其直径为所连路段中宽度的最大值，当节点仅连接一条路段时，不需对节点进行任何操作；当节点所连路段不止一条时，则需要在节点处生成平滑的衔接车道来连接不同路段；
所述节点处生成平滑的衔接车道主要步骤有四步：
(1)求出道路两侧和其他道路的交点；
(2)根据交点的连线在车道上截取端点；
(3)根据车道曲线端点生成子曲线；
(4)根据子曲线生成节点内的衔接车道。
2.根据权利要求1所述的可实时交互的三维微观公路网生成方法，其特征在于：所述路段生成中比例k值的计算原理为：用贝塞尔曲线拟合圆弧，仅考虑1/4圆弧，使得曲线能近似半径为R的圆弧，则由三阶贝塞尔的表达式:
B(t)＝(1-t)3A+3t(1-t2)B+3t2(1-t)C+t3D，t∈[0，1]
得，在t＝0.5时，曲线上的点需对应圆弧上的中点
Figure FDA0003115093460000019
由此可列出方程并求解得：
Figure FDA00031150934600000110
k值作为默认值用于所有路段中。
3.根据权利要求1所述的可实时交互的三维微观公路网生成方法，其特征在于：所述前端交互部分使用Unity引擎实现，通过自定义Editor在编辑模式下实时查看结果。
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