CN112307553A - 一种对三维道路模型进行提取与简化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，在待提取道路要素的模型中获取多面片基准面，构建六边形包围盒并正交投影至二维，在保留了颜色与深度信息的条件下，极大地简化了复杂三维场景中道路勾画的操作难度，并根据道路提取区域获取其对应的空间与纹理坐标，达到了自动化构建道路模型的效果。本发明以计算机空间解算技术代替了原有的人工目视解译工作，有效保证了大规模三维场景下道路要素的提取效率与准确性。
Description
技术领域
本发明涉及三维建模、三维要素提取与简化技术领域，尤其是涉及一种对三维道路模型进行提取与简化的方法。
背景技术
高精度地图场景建模技术，尤其是道路模型提取技术，一直是自动驾驶领域中最为基础和重要的技术焦点之一。然而，当前车道建模的主要方法仍依赖大量的人工操作，在基于真实世界的大规模场景(如航拍倾斜摄影测量模型)中，往往数据量十分庞大，模型处理非常困难，且道路要素提取需要专业人员在自定义的多种视口下对路网边界进行勾绘，该方法在大场景下操作极为不便，视口位置、姿态的选择需要消耗大量时间和精力，同时由于其他要素的视口遮挡、覆盖，常常会导致路网要素的提取缺失或重复。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现提高道路模型提取效率与精度的目的，本发明采用如下的技术方案：
一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，包括如下步骤：
S1，待简化的原始三维场景模型Model_raw由一组多边形面片表示其几何形状，且每个面片上带有纹理，原始三维场景的重力方向为g，根据原始三维场景模型Model_raw的面片，计算出N个平面，称为基准面，N个基准面形成基准面集合S，所述基准面满足以下条件：(1)原始三维场景模型中存在的面片，到所述基准面的距离小于预先给定的距离阈值，(2)所述基准面法线方向与重力方向g的夹角在夹角阈值范围内；
S2，历遍基准面集合S中的每一个基准面fi，其中i∈{1，...，N}，进行如下处理：
S21，沿fi的法线正方向平移构造平行于fi的平面f_up，沿fi的法线负方向平移构造平行于fi的平面f_down，选择位于平面f_up和f_down之间，或与平面f_up或者f_down有交的面片，形成面片集合Fset，将Fset中的所有面片沿fi的法线方向投影到fi上，计算一个二维定向包围盒rect，rect将Fset中所有面片在fi的投影包含在内；
S22，沿基准面fi的法线正方向将二维定向包围盒rect投影到平面f_up上，得到矩形rect_up，沿fi的法线负方向将二维定向包围盒rect投影到平面f_down上，得到矩形rect_down，连结rect_up和rect_down，形成一个六面体，记为box；
S23，以六面体box作为视域体，采用正交投影的方式，以平面f_up或f_down为投影平面，用三维图形绘制方法将Fset中的所有面片进行光栅化绘制，光栅化绘制结果保存到颜色图像Icolor和深度图像Idepth中；
S24，在颜色图像Icolor上，标识出道路区域，如不存在道路区域，则重新在基准面集合S中选择一个未被处理的基准面，返回步骤S21，当所有的基准面均已处理完毕，则执行步骤3；
S25，根据标识出的道路区域，在颜色图像Icolor上，在道路区域的边界和内部生成采集点，形成采样点集合Q；
S26，对每一个采样点q∈Q，根据q在颜色图像Icolor上的位置，在深度图像Idepth上找到对应位置的深度值，根据绘制生成颜色图像Icolor和深度图像Idepth时所采用的绘制参数，计算出q的三维坐标，并根据q在颜色图像Icolor上的位置计算其纹理坐标；
S27，以采样点集合Q中的采样点为顶点，构造三维网格模型Mi，每个顶点记录对应采样点的三维坐标和纹理坐标，此时三维网格模型Mi为原始三维场景模型中部分道路的简化结果，颜色图像Icolor为Mi所引用的纹理；
S3，合并所有三维网格模型Mi，及其引用的颜色图像，得到最终简化的道路模型。
通过构建一系列基准面，将复杂三维模型拆分为多个参考面投影，预先剔除非道路几何形状的对象，通过设计视域体与正交投影，使三维道路要素投影至二维平面，将原本道路提取的工作由三维空间转换至二维，减缓了路网勾画所需的人力与算力开销，之后，通过保留颜色与深度图像信息，使得采样点能够反算得到真实的三维坐标与纹理信息，完成自动化构建路网模型，实现了模型的高质量保真。本方法简化了道路勾画操作难度，简化了场景，提供了路网自动化提取条件，降低了数据处理难度，提高了道路模型的提取效率与精度，且实现简便，手段灵活，三维道路提取效果能得到显著保证。
进一步的，所述步骤S24中的道路区域，是标注出道路外边界集合，以及标注出道路中间不属于道路本身的道路内边界集合，道路内边界集合和道路外边界集合共同构成道路区域。
进一步的，所述步骤S25的具体内容，根据标识出的道路区域，在颜色图像Icolor上，道路内边界集合和道路外边界集合的每一条边界都是由多边形构成，对构成多边形的每条线段依次进行采样，形成内外边界的采样点集合Qboundary；在Icolor的像素空间采样像素点，所有属于道路区域内部的采样点构成集合Qinner；最后将采样点集合Qboundary和Qinner合并为采样点集合Q。
进一步的，所述对构成多边形的每条线段依次进行采样是均匀采样，在Icolor的像素空间采样像素点是均匀采样。
进一步的，所述步骤S26中，根据绘制生成颜色图像Icolor和深度图像Idepth时所采用的绘制参数，通过线性插值计算出q的三维坐标。
进一步的，所述步骤S27中，以采样点集合Q中的采样点为顶点，三角化构造出三维网格模型Mi，在基准面fi上进行三角化操作，并指定内外边界约束条件，根据记录的每个顶点的对应采样点的三维坐标和纹理坐标，将完成三角化后的顶点拓扑关系对应到三维模型上，得到原始三维场景模型中部分道路的简化结果。
进一步的，所述步骤S24中，标识出道路区域，采用人工交互进行标识，或程序自动标识，或采用人工交互和程序自动相结合的标识方式。
进一步的，所述步骤S1中，原始三维场景模型中存在的面片到所述基准面的距离，是通过3D Hough变换或Ransac方法，查找面片平均距离最小的面片集合和基准面。
本发明的优势和有益效果在于：
本发明通过构建一系列基准面的方法，将复杂三维模型拆分为多个区域，预先剔除非道路几何形状的对象，简化了场景，降低了数据处理难度；通过设计视域体与正交投影，将三维道路要素投影至二维平面，减缓了路网勾画所需的人力与算力开销；通过保留颜色与深度图像信息，使得采样点能够反算得到真实的三维坐标与纹理信息，实现了模型的高质量保真。方法实现简便，手段灵活，三维道路提取效果能得到显著保证。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明中对三维场景模型进行平面检测的结果示例图。
图3为本发明中位于平面f_up和f_down之间或者与平面f_up和f_down相交的面片集合Fset的结果示例图。
图4为本发明中对Fset的所有面片沿f_down进行正交投影光栅化绘制得到的颜色图像Icolor结果示例图。
图5为本发明中对Fset的所有面片沿f_down进行正交投影光栅化绘制得到的深度图像Idepth的结果示例图。
图6为本发明中由道路内边界集合和外边界集合构成的道路区域的结果示例图。
图7为本发明中原始模型中部分道路的简化结果示例图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明提出一种对三维场景模型中的道路进行提取和简化建模的方法，该方法包括如下步骤：
1、利用3D Hough变换对三维场景模型的所有顶点进行平面检测，将检测出每个平面称为基准面，这些基准面形成基准面集合S。通过控制拟合平面的参数使得原始模型中存在一定数量的面片到基准面的距离小于给定的阈值，同时基准面法线方向与重力g方向的夹角在一定阈值范围内。如图2所示，对从倾斜摄影重建出的部分城市模型进行平面检测的结果，检测出1个基准平面，图中标记为深色的顶点是符合上述要求的面片顶点集合；
2、遍历基准面集合S中的每一个基准面fi，其中i∈{1，...，N}，进行如下处理：
2.1、沿fi的法线正方向和负方向分别平移一定距离形成平行于fi的平面f_up和f_down，针对三维模型的每个面片，如果其位于平面f_up和f_down之间或者与平面f_up和f_down相交，则加入面片集合Fset(如图3中标记为深色的三角面片集合)。将Fset中的所有面片沿fi的法线方向投影到的fi上，对投影后的所有面片顶点利用OBB(Oriented boundingbox)算法计算出二维定向包围盒rect，该rect会将所有面片的投影包含在内；
2.2、将二维定向包围盒rect沿fi的法线正方向和负方向分别投影到平面f_up和f_down上，得到三维矩形rect_up和rect_down，连接rect_up和rect_down的对应顶点，形成六面体box；
2.3、以六面体box作为视域体，以f_down为投影平面进行正交投影，使用三维计算机图形软件Blender的Eevee渲染引擎对Fset中的所有面片进行光栅化绘制，如图4、5所示，分别为光栅化绘制得到的颜色图像Icolor和深度图像Idepth；
2.4、在颜色图像Icolor上，先采用常用的人工智能道路识别算法自动标识出道路区域，对自动标注不理想的区域进行手工交互。如图6所示，深色的多边形是标注完成的道路外边界集合，需要注意的是，道路中间的花坛并不属于道路本身，标记为道路内边界集合(如图6中在深色多边形内部的矩形框)，道路的内边界集合和外边界集合将共同构成道路区域。如果Icolor上不存在道路区域，由于本实施例只有一个基准面，则处理结束，对于存在多个基准面的情况，则重新选择一个未被处理基准面，执行步骤2.1；
2.5、在颜色图像Icolor上，道路内边界和外边界集合的每一条边界都是由多边形构成，对构成多边形的每条线段依次进行均匀采样，形成内外边界的采样点集合Qboundary；在Icolor的像素空间均匀采样像素点，所有属于道路区域内部的采样点构成集合Qinner；最后将采样点集合Qboundary和Qinner合并为采样点集合Q；
2.6、对每一个采样点q∈Q，根据q在颜色图像Icolor上的位置，在深度图像Idepth上找到对应位置的深度值，根据步骤2.3绘制生成颜色图像Icolor和深度图像Idepth时所采用的绘制参数，通过线性插值计算出q的三维坐标，并根据q在颜色图像Icolor上的位置计算其纹理坐标；
2.7、以采样点集合Q中的采样点为顶点，利用约束Delaunay三角化构造出三维网格模型Mi。为简化计算，本实施例在基准面fi上进行三角化操作，并指定内外边界约束条件，由于步骤2.6记录了每个顶点的对应采样点的三维坐标和纹理坐标，将完成三角化后的顶点拓扑关系对应到三维模型上，如图7所示，便可以得到原始模型中部分道路的简化结果。
3、将步骤2.7构造出的三维网格模型以及其引用的颜色图像进行合并，得到最终简化的道路模型。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，待简化的原始三维场景模型Model_raw由一组多边形面片表示其几何形状，且每个面片上带有纹理，原始三维场景的重力方向为g，根据原始三维场景模型Model_raw的面片，计算出N个平面，称为基准面，N个基准面形成基准面集合S，所述基准面满足以下条件：(1)原始三维场景模型中存在的面片，到所述基准面的距离小于预先给定的距离阈值，(2)所述基准面法线方向与重力方向g的夹角在夹角阈值范围内；
S2，历遍基准面集合S中的每一个基准面fi，其中i∈{1，...，N}，进行如下处理：
S21，沿fi的法线正方向平移构造平行于fi的平面f_up，沿fi的法线负方向平移构造平行于fi的平面f_down，选择位于平面f_up和f_down之间，或与平面f_up或者f_down有交的面片，形成面片集合Fset，将Fset中的所有面片沿fi的法线方向投影到fi上，计算一个二维定向包围盒rect，rect将Fset中所有面片在fi的投影包含在内；
S22，沿基准面fi的法线正方向将二维定向包围盒rect投影到平面f_up上，得到矩形rect_up，沿fi的法线负方向将二维定向包围盒rect投影到平面f_down上，得到矩形rect_down，连结rect_up和rect_down，形成一个六面体，记为box；
S23，以六面体box作为视域体，采用正交投影的方式，以平面f_up或f_down为投影平面，用三维图形绘制方法将Fset中的所有面片进行光栅化绘制，光栅化绘制结果保存到颜色图像Icolor和深度图像Idepth中；
S24，在颜色图像Icolor上，标识出道路区域，如不存在道路区域，则重新在基准面集合S中选择一个未被处理的基准面，返回步骤S21，当所有的基准面均已处理完毕，则执行步骤3；
S25，根据标识出的道路区域，在颜色图像Icolor上，在道路区域的边界和内部生成采集点，形成采样点集合Q；
S26，对每一个采样点q∈Q，根据q在颜色图像Icolor上的位置，在深度图像Idepth上找到对应位置的深度值，根据绘制生成颜色图像Icolor和深度图像Idepth时所采用的绘制参数，计算出q的三维坐标，并根据q在颜色图像Icolor上的位置计算其纹理坐标；
S27，以采样点集合Q中的采样点为顶点，构造三维网格模型Mi，每个顶点记录对应采样点的三维坐标和纹理坐标；
S3，合并所有三维网格模型Mi，及其引用的颜色图像。
2.如权利要求1所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述步骤S24中的道路区域，是标注出道路外边界集合，以及标注出道路中间不属于道路本身的道路内边界集合，道路内边界集合和道路外边界集合共同构成道路区域。
3.如权利要求2所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述步骤S25的具体内容，根据标识出的道路区域，在颜色图像Icolor上，道路内边界集合和道路外边界集合的每一条边界都是由多边形构成，对构成多边形的每条线段依次进行采样，形成内外边界的采样点集合Qboundary；在Icolor的像素空间采样像素点，所有属于道路区域内部的采样点构成集合Qinner；最后将采样点集合Qboundary和Qinner合并为采样点集合Q。
4.如权利要求3所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述对构成多边形的每条线段依次进行采样是均匀采样，在Icolor的像素空间采样像素点是均匀采样。
5.如权利要求1所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述步骤S26中，根据绘制生成颜色图像Icolor和深度图像Idepth时所采用的绘制参数，通过线性插值计算出q的三维坐标。
6.如权利要求1所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述步骤S27中，以采样点集合Q中的采样点为顶点，三角化构造出三维网格模型Mi，在基准面fi上进行三角化操作，并指定内外边界约束条件，根据记录的每个顶点的对应采样点的三维坐标和纹理坐标，将完成三角化后的顶点拓扑关系对应到三维模型上。
7.如权利要求1所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述步骤S24中，标识出道路区域，采用人工交互进行标识，或程序自动标识，或采用人工交互和程序自动相结合的标识方式。
8.如权利要求1所述的一种对三维道路模型进行提取与简化的方法，其特征在于所述步骤S1中，原始三维场景模型中存在的面片到所述基准面的距离，是通过3D Hough变换或Ransac方法，查找面片平均距离最小的面片集合和基准面。
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