CN115063548A - 一种增量式维诺路网构建方法 - Google Patents

一种增量式维诺路网构建方法 Download PDF

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CN115063548A CN202210676432.9A CN202210676432A CN115063548A CN 115063548 A CN115063548 A CN 115063548A CN 202210676432 A CN202210676432 A CN 202210676432A CN 115063548 A CN115063548 A CN 115063548A
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Abstract

本发明公开了一种增量式维诺路网构建方法。包括：首先对地图内的障碍编号，提取边缘、质心、外接框，利用质心对图像三角剖分，根据共边关系配对障碍，再离散障碍边缘，构建维诺图，得到路网节点并建立路网节点间的邻接关系；其次在地图中出现新障碍时，提取新障碍边缘、质心、外接框，判断新障碍对原始地图路网的影响，构造局部地图，生成局部路网；最后融合全局与局部路网。本发明可以构建基于线面发生元的维诺路网，并在检测到新障碍时局部更新路网，并与全局路网无缝融合，提高算法效率。

Description

一种增量式维诺路网构建方法
技术领域
本发明涉及一种增量式维诺路网构建方法，属于路径规划技术，具体适用于路网提取领域。
背景技术
道路网络模型需要能够如实反应道路网络的特征，并可以支持各种针对路网约束的应用需求，如轨迹索引和轨迹查询等。在地理信息系统中，路网模型常被定义为无向或有向的网络拓扑图，可以被直观地表示为由若干个点和线组成地平面网络图。维诺图是一种空间的无缝分割网格图，由于其数据结构的特殊性，可以应用于二维空间的近邻区域分割，可应用于路网提取。
地图中的障碍通常以线或面的形式存在，现有算法对于构建平面点集的维诺图十分有效，但难以直接用于构造基于线面的维诺图；且对地图中产生的新障碍缺乏适应能力，重新规划全局路网会耗费大量资源。为了构造基于障碍地图且适应新增障碍的维诺路网，亟需提出一种增量式的维诺路网构建方法。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种增量式的维诺路网构建方法。
为达到以上目的，本发明的技术方案如下：
一种增量式的维诺路网构建方法，包括以下步骤：
S1:以地图内的各连通域为单位对障碍编号，获取连通域边缘、质心及外接框；
S2:利用连通域质心对图像进行三角剖分，并根据三边关系将各区域配对；
S3:将各连通域边缘离散，根据离散边缘点集构建维诺图，得到由维诺顶点构成的路网节点集；
S4:根据顶点共边关系将每个路网节点与邻接点关联，得到原始地图维诺路网；
S5:对比新地图与原始地图，得到新障碍坐标，提取新障碍构成的连通域边缘、质心、外接框；
S6:判断原始地图路网是否跨越新障碍构成的外接框，若跨越，进行步骤S7，若未跨越，不做处理；
S7：以新障碍质心为中心，外接框长宽的倍数为尺寸逐步扩张局部地图，直至局部地图内三个或以上的连通域后停止，剔除局部地图内原有的路网节点；
S8:对局部地图重复步骤S3、S4，得到局部路网节点；
S9:将局部地图内路网与原始地图路网融合。
优选的，所述步骤S1具体包括以下过程：
对导入的二值化地图进行预处理：利用函数区分各连通域，分别提取各连通域的边缘、质心及外接框坐标，并将质心坐标串联为数组。
优选的，所述步骤S2具体包括以下过程：
利用质心坐标数组对图像进行Delaunay三角剖分，三角顶点对应三个相邻连通域编号。根据三角共边关系将连通域配对，同一条边两端的连通域为一对。
优选的，所述步骤S3具体包括以下过程：
(3-1)将各连通域边缘离散，离散步长与配对元素之间的距离相关，表示为：
Figure BDA0003696761710000021
其中，d为配对元素间的最短距离，L1和L2为配对元素的边长集合，λ为离散步长。
(3-2)将离散的边缘点集作为发生点集，生成Voronoi图及Voronoi顶点坐标；
(3-3)合并同一连通域生成的Voronoi区域，即剔除多余顶点，包括地图外的顶点，连通区域内的顶点，若两相邻顶点生成的线段跨越连通区域，则剔除该两顶点，剩余顶点构成地图内的路网节点，对其编号。
优选的，所述步骤S4具体包括以下过程：
根据原始Voronoi顶点的共边关系将每个路网节点与其邻近点关联，记录每个节点的邻接点编号、坐标、距离，可作为路径规划素材。
优选的，所述步骤S5具体包括以下过程：
用新地图矩阵减原始地图矩阵，得到新障碍坐标，提取新障碍构成的连通域边缘、质心、外接框。
优选的，所述步骤S6具体包括以下过程：
(6-1)搜索离新连通域质心最近的原始地图路网节点；
(6-2)判断该节点是否在新障碍连通域外接框内，若在框内，进行步骤S7；若不在，进行步骤(6-3)；
(6-3)判断该节点与其邻接节点连线是否与外接框相交，若相交，进行步骤S7，若未相交，不做处理。
优选的，所述步骤S7具体包括以下过程：
(7-1)以新障碍质心为中心，外接框长度的倍数为尺寸逐步扩张局部地图，检测到局部地图内有三个或以上的连通域后停止；
(7-2)剔除局部地图内原有的路网节点
Figure BDA0003696761710000022
(7-3)查找被剔除的点与原地图的交流节点
Figure BDA0003696761710000031
以
Figure BDA0003696761710000032
的形式储存被剔点与交流点。
优选的，所述步骤S8具体包括以下过程：
对局部地图重复步骤S3、S4，得到局部路网节点。
优选的，所述步骤S9具体包括以下过程：
(9-1)遍历步骤(7-3)所得交流点，查找局部路网节点中与交流点距离最近的点；
(9-2)判断原始地图中的交流点与局部地图中相应的最近点连线是否与新连通域外接框相交，若相交，则该交流点不参与融合；若相交，进入步骤(9-3)；
(9-3)消除原始地图交流点与被剔除点关联，建立局部地图内最近点与原始地图交流点关联，作为新地图邻接节点，各自储存编号、坐标、距离，其余原地图节点不做处理。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
首先，本发明提出基于线面发生元的维诺图构建方法，利用邻近障碍间的最短距离与障碍外接框之间的关系决定离散步长，遵循离得近的障碍紧密离散，离得远的障碍稀疏离散的原则，在充分离散障碍边缘的基础上减少了离散点数量，提高算法效率，
其次，本发明可适应原始地图出现新增障碍的情况，在此情况下，不必重新计算全局路网，而仅针对新增障碍处生成大小自适应的局部路网，可在不破坏大部分全局路网节点的情况下使局部路网与全局路网无缝融合，极大地提高了算法效率；
再次，本发明提出的算法基于Delaunay三角剖分的特性，所提路网与障碍物距离适当，为安全路网；
最后，本发明提供每个路网节点与其邻接节点的编号与距离，能够快速获得路径索引，与路径规划算法结合，可限制路径搜索空间，提高规划效率。
附图说明
图1为本发明的增量式维诺路网构建方法流程图；
图2为本发明实施例中生成的原始维诺路网图；
图3为本发明实施例中新障碍出现时的生成的增量维诺路网图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施仅用于说明本发明而不用与限制本发明的范围。
本发明所述的一种增量式维诺路网构建方法，实现流程如图1所示，其流程主要包括以下步骤：
步骤S1,以地图内的各连通域为单位对障碍编号，获取连通域边缘、质心及外接框。
对导入的二值化地图进行预处理：利用函数区分各连通域并进行编号，分别提取各连通域的边缘、质心及外接框坐标，并将质心坐标串联为数组。
步骤S2，利用连通域质心对图像进行三角剖分，并根据三边关系将各区域配对。
利用质心坐标数组对图像进行Delaunay三角剖分，三角顶点对应三个相邻的连通域编号。根据三角共边关系将连通域配对，同一条边两端的连通域为一对，一个连通域理论上会被配对多次。
步骤S3:将各连通域边缘离散，根据离散边缘点集构建维诺图，得到由维诺顶点构成的路网节点集。
(3-1)将各连通域边缘离散，离散步长与配对元素之间的距离相关，表示为：
Figure BDA0003696761710000041
其中，d为配对元素间的最短距离，L1和L2为配对元素的边长集合，λ为离散步长。
若配对元素之间的最小距离小于等于两元素外接框中的短边之和，则对内元素以最小距离为离散步长；若配对元素之间的最小距离大于两元素外接框中短边之和，则对内元素以最小距离的2倍为离散步长。
(3-2)将离散得到的边缘点集作为发生点集，生成基于点元的Voronoi图及Voronoi顶点坐标；
(3-3)合并同一连通域生成的Voronoi区域，即剔除多余顶点。剔除地图范围外的顶点、位于连通区域内的顶点，若两相邻顶点生成的线段跨越连通区域，即顶点连线与该连通域相邻离散点构成的连线相交，则剔除该两顶点，剩余顶点构成地图内的路网节点，对其编号。
步骤S4，根据顶点共边关系将每个路网节点与邻接点关联，得到原始地图维诺路网。
根据原始Voronoi顶点的共边关系将每个路网节点与其邻近点关联，储存每个节点的邻接点编号、坐标、距离，可作为路径规划素材。
在本实施例中，完成以上步骤生成效果如图2所示的维诺路网图。
步骤S5，对比新地图与原始地图，得到新障碍坐标，提取新障碍构成的连通域边缘、质心、外接框
用新地图矩阵减原始地图矩阵，得到新障碍坐标，提取新障碍构成的连通域边缘、质心、外接框。
步骤S6，判断原始地图路网是否跨越新障碍构成的外接框，若跨越，进行步骤S7，若未跨越，不做处理。
(6-1)搜索离新连通域质心最近的原始地图路网节点；
(6-2)判断该节点是否在新障碍外接框内，若在框内，进行步骤S7；若不在，进行步骤(6-3)；
(6-3)判断该节点与其邻接节点连线是否与外接框相交，若相交，进行步骤S7，若未相交，不做处理。
步骤S7，以新障碍质心为中心，外接框长宽的倍数为尺寸逐步扩张局部地图，直至局部地图内三个或以上的连通域后停止，剔除局部地图内原有的路网节点。
(7-1)以新障碍质心为中心，外接框长度的倍数为尺寸逐步扩张局部地图，检测到局部地图内有三个或以上的连通域后停止；
(7-2)剔除局部地图内原有的路网节点
Figure BDA0003696761710000051
(7-3)查找被剔除的点与原地图的交流节点
Figure BDA0003696761710000052
以
Figure BDA0003696761710000053
的形式储存被剔点与交流点。
步骤S8，对局部地图重复步骤S3、S4，得到局部路网节点，从原始节点编号后一位开始对局部地图内新增节点编号。
步骤S9，将局部地图内路网与原始地图路网融合。
(9-1)遍历步骤(7-3)所得交流点，查找局部路网节点中与交流点距离最近的点；
(9-2)判断原始地图中的交流点与局部地图中相应的最近点连线是否与新连通域外接框相交，若相交，则该交流点不参与融合；若相交，进入步骤(9-3)；
(9-3)消除原始地图交流点与被剔除点关联，建立局部地图内最近点与原始地图交流点关联，作为新地图邻接节点，相关节点各自储存编号、坐标、距离，其余原地图节点不做处理。
在本实施例中，完成以上步骤生成效果如图3所示的增量维诺路网图，其中，框内部分为局部新增路网。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:以地图内的各连通域为单位对障碍编号，获取连通域边缘、质心及外接框；
S2:利用连通域质心对图像进行三角剖分，并根据三边关系将各区域配对；
S3:将各连通域边缘离散，根据离散边缘点集构建维诺图，得到由维诺顶点构成的路网节点集；
S4:根据顶点共边关系将每个路网节点与邻接点关联，得到原始地图维诺路网；
S5:对比新地图与原始地图，得到新障碍坐标，提取新障碍构成的连通域边缘、质心、外接框；
S6:判断原始地图路网是否跨越新障碍构成的外接框，若跨越，进行步骤S7，若未跨越，不做处理；
S7：以新障碍质心为中心，外接框长宽的倍数为尺寸逐步扩张局部地图，直至局部地图内三个或以上的连通域后停止，剔除局部地图内原有的路网节点；
S8:对局部地图重复步骤S3、S4，得到局部路网节点；
S9:将局部地图内路网与原始地图路网融合。
2.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下过程：
对导入的二值化地图进行预处理，利用函数区分各连通域，分别提取各连通域的边缘、质心及外接框坐标，并将质心坐标串联为数组。
3.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下过程：
利用质心坐标数组对图像进行Delaunay三角剖分，三角顶点对应三个相邻连通域编号；根据三角共边关系将连通域配对，同一条边两端的连通域为一对。
4.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下过程：
(3-1)将各连通域边缘离散，离散步长与配对元素之间的距离相关，表示为：
Figure FDA0003696761700000011
其中，d为配对元素间的最短距离，L1和L2为配对元素的边长集合，λ为离散步长；
(3-2)将离散的边缘点集作为发生点集，生成Voronoi图及Voronoi顶点坐标；
(3-3)合并同一连通域生成的Voronoi区域，即剔除多余顶点，包括地图外的顶点，连通区域内的顶点，若两相邻顶点生成的线段跨越连通区域，则剔除该两顶点，剩余顶点构成地图内的路网节点，对其编号。
5.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下过程：
根据原始Voronoi顶点的共边关系将每个路网节点与其邻近点关联，储存每个节点的邻接点编号、坐标、距离，可作为路径规划素材。
6.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下过程：用新地图矩阵减原始地图矩阵，得到新障碍坐标，提取新障碍构成的连通域边缘、质心、外接框。
7.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下过程：
(6-1)搜索离新连通域质心最近的原始地图路网节点；
(6-2)判断该节点是否在新障碍连通域外接框内，若在框内，进行步骤S7；若不在，进行步骤(6-3)；
(6-3)判断该节点与其邻接节点连线是否与外接框相交，若相交，进行步骤S7，若未相交，不做处理。
8.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括以下过程：
(7-1)以新障碍质心为中心，外接框长度的倍数为尺寸逐步扩张局部地图，检测到局部地图内有三个或以上的连通域后停止；
(7-2)剔除局部地图内原有的路网节点
Figure FDA0003696761700000021
(7-3)查找被剔除的点与原地图的交流节点
Figure FDA0003696761700000022
以
Figure FDA0003696761700000023
的形式储存被剔点与交流点。
9.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S8具体包括以下过程：对局部地图重复步骤S3、S4，得到局部路网节点。
10.根据权利要求1所述的增量式的维诺路网构建方法，其特征在于，所述步骤S9具体包括以下过程：
(9-1)遍历步骤(7-3)所得交流点，查找局部路网节点中与交流点距离最近的点；
(9-2)判断原始地图中的交流点与局部地图中相应的最近点连线是否与新连通域外接框相交，若相交，则该交流点不参与融合；若相交，进入步骤(9-3)；
(9-3)消除原始地图交流点与被剔除点关联，建立局部地图内最近点与原始地图交流点关联，作为新地图邻接节点，各自储存编号、坐标、距离，其余原地图节点不做处理。
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CN115265577A (zh) * 2022-09-30 2022-11-01 北京智行者科技股份有限公司 基于维诺图的拓扑关系构建方法、系统及移动工具
CN115265577B (zh) * 2022-09-30 2023-02-10 北京智行者科技股份有限公司 基于维诺图的拓扑关系构建方法、系统及移动工具

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