CN117809000B - 一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及公路模拟技术领域，特别是一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法及设备。本发明通过使用高斯滤波算法对漫游路径点坐标以及每个路径点处相机的方向进行了平滑处理。处理后的漫游路径连接更加自然和平滑，减弱了路径点之间的跳跃感；同时，处理后的虚拟相机在移动过程中，相机方向的变化更加平滑和流畅，避免了相机的突然转向，减弱了画面的抖动以及用户的眩晕感。且本发明的漫游方法计算速度更快，也能节约更多的计算资源。
Description
技术领域
本发明涉及公路模拟技术领域，特别是一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法及设备。
背景技术
在公路行业中，对公路路线进行虚拟三维场景中的漫游展示具有重要意义。首先，这种展示方式为交通规划者、工程师和决策者提供了一种直观而全面的方式来评估公路设计和交通基础设施。通过虚拟漫游，可以模拟不同的道路条件、交叉口设计和交通流量，帮助决策者更准确地了解公路改建或新建项目的潜在影响。其次，对公路路线进行漫游展示有助于提升公众参与和理解。通过虚拟环境，公众可以亲身体验公路改建或新建项目的设计，更好地理解规划者的意图，并提供反馈。这有助于建立透明、开放的决策过程，减少可能的争议和抵触情绪。此外，公路路线的虚拟漫游还可用于教育和培训。交通从业人员可以通过虚拟模拟进行驾驶培训，提高其对于不同道路状况和交叉口设计的应对能力。这有助于提高交通安全水平，降低事故风险。最后，虚拟漫游为公路旅行者提供了更丰富的预览和规划工具。用户可以在虚拟环境中自由漫游，了解沿途的景点、服务设施和道路状况，提前规划旅程，增加出行的便利性和安全性。
例如申请号为CN116452718A的中国发明专利公开了一种场景漫游的路径规划方法、系统、装置、存储介质，其通过将漫游相机的相机位置、旋转角度、目标位置以及视野参数保存为视角，并放入视角列表；进一步设定视角切换速度，计算切换帧数需要变化的值，完成在路径间的漫游。申请号为CN113223130A的中国发明专利公开了一种路径漫游方法、终端设备以及计算机存储介质，其通过用户输入和终端设备计算得到初始路径，按照预设规则获取相机移动过程中的相机位置和相机视点参数，利用相机位置参数和相机视点参数计算将最佳视频流加载到对应目标视角所在三维场景中的巡视路径。申请号为CN108257219A的中国发明专利公开了一种实现全景多点漫游的方法，其通过在全景方案的平面设计图上选取漫游点，采集漫游点的空间坐标，最后利用图像绘制技术即可在场景中绘制出多点漫游路径。上述方法未对漫游路径点以及漫游相机的方向进行平滑处理，若在漫游路线中存在较大的拐角或者路径点位置采集存在较大误差时，漫游画面会出现突然地转向以及明显的抖动，影响用户的体验感。
在西北工业大学车力的《视觉感知优化的虚拟场景生成关键技术研究》中，将场景划分为若干个子区域，通过凸包构建子区域的最优视点球；然后对视点球进行视点采样，并采用基于遗传算法和蚁群算法的TSP（旅行商问题）方法分别优化了子区域内视点排序和子区域间的漫游顺序；最后采用三次Hermite曲线对漫游路径中的拐点进行平滑处理。该平滑方法避免了视角转变的突兀感，增强了场景画面的稳定性。但其计算相对复杂，尤其涉及更高次插值时，可能需要更多的计算资源；此外，三次Hermite曲线具有较强的全局性，整个曲线的形状受所有控制点的影响，当存在局部较大误差点时，会导致整个路径形状的改变。
但以上的现有漫游方法依然存在抖动较大，以及计算复杂，硬件需求高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有漫游方法依然存在抖动较大，以及计算复杂，硬件需求高的问题，提供一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法及设备。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，包括以下步骤：
S1：设置漫游相机的初始参数，并根据待漫游路径生成对应的初始路径点列表；
S2：采用高斯滤波法对所述初始路径点列表中每个路径点进行平滑处理，并存入平滑路径点列表；
S3：计算所述平滑路径点列表中每个路径点的相机方向，存入方向向量列表；
S4：采用高斯滤波法对所述方向向量列表中每个方向向量进行平滑处理，并存入平滑方向向量列表；
S5：开始在所述待漫游路径中的路径漫游，并根据预设的时间间隔对所述漫游相机进行更新；
所述漫游相机的更新为：依次从所述平滑路径点列表以及所述平滑方向向量列表中，选择平滑路径点以及平滑方向向量，对所述漫游相机的位置以及方向进行更新。
作为本发明的优选方案，所述漫游相机的初始参数包括相机通常高度、相机隧道高度、俯仰角、相机初始速度以及起始桩号。
作为本发明的优选方案，所述S1包括：
S11：设置漫游相机的初始参数；
S12：获取预设的待漫游路径，并根据预设间距在所述待漫游路径中获取若干个路径点的三维坐标；
S13：在所述路径点的三维坐标中加入相机通常高度或相机隧道高度作为高度分量，生成各个路径点的漫游相机三维坐标，并存入初始路径点列表。
作为本发明的优选方案，所述S3中相机方向的计算式为：
，
其中，为当前路径点的相机方向，θ为当前路径点与下一个路径点的连线与坐标Y轴之间的夹角，/>为所述漫游相机的俯仰角。
作为本发明的优选方案，所述S2以及所述S4中采用高斯滤波法的平滑处理包括以下步骤：
a1：确定滤波器大小和标准差；
a2：根据所述滤波器大小和所述标准差生成一维的高斯核，并对所述高斯核进行归一化处理；
a3：复制待处理列表的边界数据；
分别将所述待处理列表边界处的数据，复制为k个，填充在所述待处理列表的两端；其中，k为所述高斯核的一半长度的向下取整值；
a4：将所述高斯核与待处理列表进行一维卷积操作，存入平滑后列表；
a5：待所述待处理列表全部完成卷积操作后，分别去除所述平滑后列表两端的k个数据；
a6：重复a3-a5，直至达到预设的循环次数，输出为平滑后列表。
作为本发明的优选方案，所述a2中构建高斯核的公式为：
，
其中，G(x)为位置x处的滤波响应值，e为自然常数，x为离散的位置，σ是标准差。
作为本发明的优选方案，所述a4中一维卷积操作是对所述待处理列表中每个数据的值与所述滤波器的权重进行加权平均；所述一维卷积操作的表达式如下：
，
其中，P'(i)是平滑后的路径点，P(i)是原始路径点，G(j)是a2得到的高斯滤波器的权重，k为a2中所述高斯核的一半长度的向下取整值，i为待处理列表索引，j为高斯滤波公式的离散点位置坐标。
作为本发明的优选方案，还包括步骤S7：通过计算所述漫游相机中相机方向变化的均方根值来评价所述漫游相机漫游过程中的平滑程度。
作为本发明的优选方案，所述S7中均方根值RMS的计算式为：
，
其中，n是列表长度，xi为所述待漫游路径中第i个路径点。
一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过使用高斯滤波算法对漫游路径点坐标以及每个路径点处相机的方向进行了平滑处理。处理后的漫游路径连接更加自然和平滑，减弱了路径点之间的跳跃感；同时，处理后的虚拟相机在移动过程中，相机方向的变化更加平滑和流畅，避免了相机的突然转向，减弱了画面的抖动以及用户的眩晕感。且本发明的漫游方法计算速度更快，也能节约更多的计算资源。同时，本发明通过使用多线程技术，新起一个定时器线程，保证固定帧率更新漫游虚拟相机的位置和方向，从而解决了因为帧率不同导致的虚拟相机运动不连贯以及用户输入响应时间不一致的问题；增强了虚拟相机运行表现在时间上的一致性、可预测性以及物理模拟的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法的流程示意图；
图2为本发明实施例2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法中采用高斯滤波算法平滑处理前后路径点坐标X分量的对比图；
图3为本发明实施例2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法中采用高斯滤波算法平滑处理前后路径点坐标Y分量的对比图；
图4为本发明实施例2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法中采用高斯滤波算法平滑处理前后路径点坐标Z分量的对比图；
图5为本发明实施例2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法中采用高斯滤波算法平滑处理前后相机方向X分量的对比图；
图6为本发明实施例2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法中采用高斯滤波算法平滑处理前后相机方向Y分量的对比图；
图7为本发明实施例2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法中高斯滤波法的平滑处理的流程示意图；
图8为本发明实施例4所述的一种利用了前述任一一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，包括以下步骤：
S1：设置漫游相机的初始参数，并根据待漫游路径生成对应的初始路径点列表。
S2：采用高斯滤波法对所述初始路径点列表中每个路径点进行平滑处理，并存入平滑路径点列表。
S3：计算所述平滑路径点列表中每个路径点的相机方向，存入方向向量列表。
S4：采用高斯滤波法对所述方向向量列表中每个方向向量进行平滑处理，并存入平滑方向向量列表。
S5：开始在所述待漫游路径中的路径漫游，并根据预设的时间间隔对所述漫游相机进行更新。
所述漫游相机的更新为：依次从所述平滑路径点列表以及所述平滑方向向量列表中，选择平滑路径点以及平滑方向向量，对所述漫游相机的位置以及方向进行更新。其中，所述时间间隔的帧率越高，漫游效果越好，但帧率越高对计算机的性能要求越高，因此该数值根据实际需要的精度进行设置。
实施例2
本实施例为实施例1所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法的一种具体实施方式，包括以下步骤：
S1：设置漫游相机的初始参数，并根据待漫游路径生成对应的初始路径点列表。
S11：设置漫游相机的初始参数；所述漫游相机的初始参数包括相机通常高度、相机隧道高度、俯仰角、相机初始速度以及起始桩号。
S12：获取预设的待漫游路径，并根据预设间距在所述待漫游路径中获取若干个路径点的三维坐标。本实施例中的所述待漫游路径是基于专业公路设计人员的新建路线。其中，所述预设间距越小，漫游效果越好，但相应的计算量也会更大，因此该数值根据实际需要的精度进行设置，本实施例预设间距是1m。
S13：在所述路径点的三维坐标中加入相机通常高度或相机隧道高度作为高度分量（即Z轴分量），生成各个路径点的漫游相机三维坐标，并存入初始路径点列表。
S2：采用高斯滤波法对所述初始路径点列表中每个路径点进行平滑处理，并存入平滑路径点列表。
本步骤基于高斯滤波算法，分别对S1中得到的初始路径点列表中路径点的X、Y、Z方向上进行平滑处理，并将处理后的路径点坐标存入平滑路径点列表。如图2-图4所示，分别为路径点坐标X、Y、Z分量在平滑处理前后的对比，从对比结果可以看出，在X、Y方向上优化前后的结果相差不大，这是因为路线在xoy平面上走势较为平滑；在Z方向上，由于进出隧道需要高度的攀升和下降，因此z方向上会有明显的拐点，经过平滑处理后，路线在拐点处的走势变得平缓、圆滑。
S3：计算所述平滑路径点列表中每个路径点的相机方向，存入方向向量列表。
遍历S2得到的平滑路径点列表，通过点乘的方式得到当前路径点与下一个路径点连线和空间前进方向（Y轴）之间的夹角，结合步骤101设置的俯仰角，可以得到在当前路径点处相机的方向，最后将其归一化后存入方向向量列表中。
其中，相机方向的计算式为：
，
其中，为当前路径点的相机方向，θ为当前路径点与下一个路径点的连线与坐标Y轴之间的夹角，/>为所述漫游相机的俯仰角。
S4：采用高斯滤波法对所述方向向量列表中每个方向向量进行平滑处理，并存入平滑方向向量列表。
为了得到较好的拟合效果，在S1中取点时往往会选取较小的取点间隔，这使得在拐角处或者误差较大的地方，相机的方向会存在较大的跳跃，故而需要对相机的方向进行高斯滤波平滑处理。遍历S3中得到的方向向量列表，基于高斯滤波算法分别对每个方向的X、Y分量进行平滑处理，并将处理后的方向存入平滑方向向量列表中。如图5-图6所示，分别为相机方向X、Y分量在平滑处理前后的对比，从对比结果可以看出，相机方向的X、Y分量在平滑处理前存在明显的抖动，平滑处理后数值的变化趋于平缓。
S5：开始在所述待漫游路径中的路径漫游，并根据预设的时间间隔对所述漫游相机进行更新。
本步骤结合计算机性能以及画面效果，选取合适的帧率，计算出时间间隔，再启动定时器线程，固定时间间隔执行当前桩号的计算，根据计算出的当前桩号，在S2和S4得到的平滑路径点列表和平滑方向向量列表中找到当前的位置坐标和方向，最后更新漫游相机的位置和方向。即通过使用多线程技术，新起一个定时器线程，保证固定帧率更新漫游虚拟相机的位置和方向，从而解决了因为帧率不同导致的虚拟相机运动不连贯以及用户输入响应时间不一致的问题；增强了虚拟相机运行表现在时间上的一致性、可预测性以及物理模拟的稳定性。
其中，如图7所示，所述S2以及所述S4中采用高斯滤波法的平滑处理包括以下步骤：
a1：确定滤波器大小和标准差；滤波器大小通常是奇数，标准差用于控制滤波器的广度，从而影响平滑程度。较大的标准差会导致更广的权重分布，产生更强烈的平滑效果。
a2：根据所述滤波器大小和所述标准差生成一维的高斯核，并对所述高斯核进行归一化处理；为了确保滤波器的权重之和为1，本步骤对生成的高斯核进行归一化处理，即将所有权重除以它们的总和。
构建高斯核的公式为：
其中，G(x)为位置x处的滤波响应值，e为自然常数，x为离散的位置，σ是标准差。
a3：复制待处理列表的边界数据。
分别将所述待处理列表边界处的数据，复制为k个，填充在所述待处理列表的两端；其中，k为所述高斯核的一半长度的向下取整值。
a4：将所述高斯核与待处理列表进行一维卷积操作，存入平滑后列表。
一维卷积操作是对所述待处理列表中每个数据的值与所述滤波器的权重进行加权平均；所述一维卷积操作的表达式如下：
其中，P'(i)是平滑后的路径点，P(i)是原始路径点，G(j)是a2得到的高斯滤波器的权重，k为a2中所述高斯核的一半长度的向下取整值，i为待处理列表索引，j为高斯滤波公式的离散点位置坐标。
a5：待所述待处理列表全部完成卷积操作后，分别去除所述平滑后列表两端的k个数据；由于卷积操作会使得边界处的点无法完全参与，所以在处理完整个路径点序列后，还需要去除由于复制边界值而引入的辅助值。
a6：重复a3-a5，直至达到预设的循环次数，输出为平滑后列表。本步骤通过多次平滑处理，从而达到更强烈的平滑效果，具体平滑的循环次数根据需求设置。同时，循环的步骤也可以是a1-a5。
实施例3
本实施例与实施例1或2的区别在于，还包括步骤S7：
通过计算所述漫游相机中相机方向变化的均方根值来评价所述漫游相机漫游过程中的平滑程度，均方根值RMS（rootmeamsquare）越小，说明平滑程度越高。
由于目前在公路相关行业的漫游中，缺乏对漫游效果的定量评估。因此本发明提出通过计算相机方向变化的均方根值来定量分析相机漫游过程中的平滑程度。提出通过计算相机方向变化的均方根值来定量评估相机随路径转向的平滑程度。可用于检测异常路径、路径调优以及比较不用路径下相机转向的平滑程度。具体的，均方根值RMS的计算式为：
，
其中，n是列表长度，xi为所述待漫游路径中第i个路径点。
分别计算了X、Y方向上相机方向变化的均方根值，平滑处理前X方向上的均方根值为0.906，平滑处理后X方向上的均方根值为0.024，平滑处理前Y方向上的均方根值为0.823，平滑处理后Y方向上的均方根值为0.011。从相机方向变化的均方根值可以定量分析出，平滑处理后的相机视角变换更加的平缓、丝滑。
实施例4
如图8所示，一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游设备，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，以及与所述至少一个处理器通讯连接的至少一个输入输出接口；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行前述实施例所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法。所述输入输出接口可以包括显示器、键盘、鼠标、以及USB接口，用于输入输出数据。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置漫游相机的初始参数，并根据待漫游路径生成对应的初始路径点列表；
S2：采用高斯滤波法对所述初始路径点列表中每个路径点进行平滑处理，并存入平滑路径点列表；
S3：计算所述平滑路径点列表中每个路径点的相机方向，存入方向向量列表；
S4：采用高斯滤波法对所述方向向量列表中每个方向向量进行平滑处理，并存入平滑方向向量列表；
S5：开始在所述待漫游路径中的路径漫游，并根据预设的时间间隔对所述漫游相机进行更新；
所述漫游相机的更新为：依次从所述平滑路径点列表以及所述平滑方向向量列表中，选择平滑路径点以及平滑方向向量，对所述漫游相机的位置以及方向进行更新；
所述S3中相机方向的计算式为：
，
其中，为当前路径点的相机方向，θ为当前路径点与下一个路径点的连线与坐标Y轴之间的夹角，/>为所述漫游相机的俯仰角；
所述S2以及所述S4中采用高斯滤波法的平滑处理包括以下步骤：
a1：确定滤波器大小和标准差；
a2：根据所述滤波器大小和所述标准差生成一维的高斯核，并对所述高斯核进行归一化处理；
a3：复制待处理列表的边界数据；
分别将所述待处理列表边界处的数据，复制为k个，填充在所述待处理列表的两端；其中，k为所述高斯核的一半长度的向下取整值；
a4：将所述高斯核与待处理列表进行一维卷积操作，存入平滑后列表；
a5：待所述待处理列表全部完成卷积操作后，分别去除所述平滑后列表两端的k个数据；
a6：重复a3-a5，直至达到预设的循环次数，输出为平滑后列表。
2.根据权利要求1所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，所述漫游相机的初始参数包括相机通常高度、相机隧道高度、俯仰角、相机初始速度以及起始桩号。
3.根据权利要求2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，所述S1包括：
S11：设置漫游相机的初始参数；
S12：获取预设的待漫游路径，并根据预设间距在所述待漫游路径中获取若干个路径点的三维坐标；
S13：在所述路径点的三维坐标中加入相机通常高度或相机隧道高度作为高度分量，生成各个路径点的漫游相机三维坐标，并存入初始路径点列表。
4.根据权利要求2所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，所述a2中构建高斯核的公式为：
，
其中，G(x)为位置x处的滤波响应值，e为自然常数，x为离散的位置，σ是标准差。
5.根据权利要求4所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，所述a4中一维卷积操作是对所述待处理列表中每个数据的值与所述滤波器的权重进行加权平均；所述一维卷积操作的表达式如下：
，
其中，P'(i)是平滑后的路径点，P(i)是原始路径点，G(j)是a2得到的高斯滤波器的权重，k为a2中所述高斯核的一半长度的向下取整值，i为待处理列表索引，j为高斯滤波公式的离散点位置坐标。
6.根据权利要求1所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，还包括步骤S7：通过计算所述漫游相机中相机方向变化的均方根值来评价所述漫游相机漫游过程中的平滑程度。
7.根据权利要求6所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法，其特征在于，所述S7中均方根值RMS的计算式为：
，
其中，n是列表长度，xi为所述待漫游路径中第i个路径点。
8.一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游设备，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至7中任一项所述的一种基于高斯滤波算法的公路路径漫游方法。
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