JP2007101767A

JP2007101767A - 要約地図生成装置

Info

Publication number: JP2007101767A
Application number: JP2005289514A
Authority: JP
Inventors: Kishiko Maruyama; 貴志子丸山; Akinori Asahara; 彰規淺原; Masashi Kishima; 昌司貴島; Hiroko Aikawa; 裕子相川; Tsuguo Sumizawa; 紹男住沢
Original assignee: Xanavi Informatics Corp
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】道路地図の端点および屈曲点であるノードを再配置して道路形状を簡略化する要約地図生成装置では、ノード再配置により道路地図全体のトポロジーに矛盾が生じていないが判定するステップが必要であり、計算時間が膨大になるという問題があった。そこで、トポロジー判定処理の軽減を図ることによって、高速で安定した要約地図生成装置を提供する。
【解決手段】評価関数に基づく最適化処理によって道路地図の端点および屈曲点であるノードを再配置して道路形状を簡略化する最適化処理部と、最適化処理部によりトポロジーに矛盾が生じづらくなるように評価関数に拘束条件を設定する拘束条件設定部と、最適化処理部によりトポロジーに矛盾が生じているか判定するトポロジー判定部とを備え、道路地図のトポロジーを保存させた要約地図を生成することを特徴とする要約地図生成装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、地図の情報量を低減して要約地図を生成する装置及び方法に関する。

地図データから、重要度の低い要素を間引いて必要な道路やランドマークなどの要素を抽出し、ユーザにとって見やすく、かつ分かりやす形状に加工する地図の要約技術がある。このような地図の要約技術として、直交・直進化を基本として道路形状を簡略化するデフォルメ方法がある（例えば、特許文献１参照）。具体的には、道路地図における端点と屈曲点とを含むノードを初期配置として設定し、道路長の保存を示す第一の項と、道路の直交化を示す第二の項と、道路の直進化を示す第三の項とからなる評価関数に基づいてノードを再配置する最適化処理を、該評価関数の収束条件が満足されるまで繰り返す直交・直進化処理に基づくデフォルメ方法が提示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、カーナビゲーション装置における地図表示場面に要約地図を適用したカーナビゲーション装置が提示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１３９４８５号公報

特開２００４−３４７４２０号公報

道路地図のようにネットワーク構造を示すグラフでは、距離や形状が変わるような変形は許されているが、接続関係や位置関係が変わるような変形はなるべく起こらないようにすることが望まれる。ネットワークの接続関係や位置関係のことをトポロジーと呼ぶ。道路形状を簡略化するデフォルメ方法は、トポロジーを保存させた変形ロジックでなければ、道路の接続関係等が現実と異なり問題が生じうる。
この点、例えば、高速道路マップや鉄道の路線図などは手作業により作成されたデフォルメ地図であるが、接続関係や位置関係が変わらない範囲で、距離や形状を変えることにより簡略化している。

上述の従来技術におけるデフォルメ方法では、道路長の保存や道路の直交・直進化はノード間を結ぶリンクに対して働く力である。従って、隣接するリンク間のトポロジーは保存されるが、直接接続していないリンク間のトポロジーが保存される保証はない。ここで、トポロジーが保存されない理由については、図５を参照して後述する。

そこで、ノード再配置により道路地図全体のトポロジーに矛盾が生じていないか判定するステップが必要であり、この判定でトポロジーに矛盾が生じている場合には該評価関数の収束条件が満足される前に最適化処理を終了することになる。トポロジーの矛盾は例えば、リンク同士の新たな交差やノードに接続するリンク順によって判定される。しかしながら、このようなトポロジー判定を最適化処理のステップごとに行うと、計算時間が膨大になるという問題があった。

このような背景を鑑みて、本発明では、トポロジー判定処理の軽減を図ることによって、高速で安定した要約地図の生成を可能にすることを目的とする。

上記課題を解決するための本願で開示する代表的発明の概要は以下の通りである。
地図データを格納する記憶手段から地図データを検索する地図検索部と、前記検索された地図データから要約地図を生成するデフォルメ処理部と、要約地図を出力する地図出力部とを備える要約地図生成装置。特に、デフォルメ処理部は、評価関数の拘束条件を設定する拘束条件設定部と、上記拘束条件に従った評価関数を用いて上記地図データ中の道路を構成するノードを再配置する最適化処理部とを有する。

ここで拘束条件としてトポロジー矛盾が起こらないような条件を設定する。

本発明によれば、トポロジーに矛盾が生じるような変形を避けることができるので、最適化処理のステップごとにトポロジー判定処理を行う必要がなく、高速で安定した要約地図の生成が可能になる。

図１は、本発明による要約地図生成装置の構成を示すブロック図である。
要約地図生成装置は、要約地図生成処理を実行する演算処理手段１と、道路地図などの地図データを格納する記憶手段２と、入力を受け付ける入力手段３と、処理結果を出力する出力手段４とを含んで構成される。

さらに、演算処理手段１で実行される要約地図生成処理は、記憶手段２に格納されている地図データを検索する地図検索部１１と、検索された地図データの道路形状を簡略化することによって要約地図を生成するデフォルメ処理部１６と、生成された要約地図を表示モニタなどの出力装置に出力する地図出力部１５とを含んで構成される。

さらに、必要なオブジェクトを選択するオブジェクト選択部１２と、道路の変形に追従させて他のオブジェクトを変形するモーフィング処理部１３と、オブジェクトの属性を示す文字列などの情報をレイアウトするレイアウト処理部１４とを備えてもよい。地図データに含まれるオブジェクトは、道路、河川、建物などのレイヤーで管理され、さらに各レイヤーは縮尺に応じたレベルや種別を示すカテゴリなどで分類されて管理されることが多い。オブジェクト選択部１２では、縮尺や要求に応じたレイヤーやレベル、カテゴリなどの選択が行われる。

デフォルメ処理部１６は、直交・直進化処理部１６２に、評価関数に基づく最適化処理によって道路地図の端点および屈曲点であるノードを再配置して道路形状を簡略化する最適化処理部１６２ａと、最適化処理部１６２ｂでトポロジーに矛盾が生じづらくなるように評価関数に拘束条件を設定する拘束条件設定部１６２ａと、最適化処理部１６２ｂによりトポロジーに矛盾が生じているか判定するトポロジー判定部１６２ｃとを含んで構成される。

さらに、トポロジー判定部１６２ｃでトポロジーに矛盾が生じている場合には、拘束条件設定部１６２ａでの拘束条件を変更することによって評価関数の関数系を変化させて、最適化処理部１６２ｂを繰り返し実行するループ処理部１６２ｄを直交・直線化処理部１６２に備えてもよい。

ここで、最適化処理部１６２ｂは例えば、特許文献１に開示されたデフォルメ方法を実行する。特許文献１では、道路長の保存と道路の直交・直進化を基本として評価関数を決めており、本実施形態においても、直交・直進化処理部１６２として説明しているが、本発明はこのような評価関数の決め方に限定されるものではなく、ノード配置に対する何らかの評価関数が与えられていればよい。

デフォルメ処理部１６にはさらに、特許文献１に開示されているように、道路を直線近似することによって屈曲点を間引く直線化処理部１６１と、道路が水平・垂直となるように座標を回転させる水平・垂直化処理部１６３とを備えてもよい。なお、特許文献１では、道路を直線近似することによって屈曲点の情報を省略しているが、直線以外の関数で近似して屈曲点の情報を省略するのでも構わない。

また、図１に示した要約地図生成装置は、本願方法を実行させるプログラムを読み込んだコンピュータや車載端末などによって具現される。具体的には、演算処理手段１はＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶手段２はＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ハードディスクドライブ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）ドライブ等の記録メディアで構成される。さらに入力・出力手段を備えた、もしくは、入出力インタフェースを介して接続される。

コンピュータの場合には例えば、キーボードやマウスなど入力手段を介してユーザからの入力を受け付け、ユーザ要求に応じた要約地図が生成される。車載端末の場合には例えば、入力手段はＧＰＳ（Global Positioning System）からの信号を受け付け、自動的にその場面に応じた要約地図を生成するようにしてもよい。

また、本実施形態では、単一のシステムとして説明しているが、本発明はこのようなシステム構成に限定されるものではなく、Ｗｅｂ（World Wide Web）上のサービスあるいは通信型カーナビゲーションシステムのように、ネットワークによって接続された複数のシステムとして実現してもよい。

図２は、本実施形態にかかる要約地図生成処理の流れを示すフローである。図１を参照しつつ、図２に沿って要約地図生成処理の流れを説明する。

まず、入力手段３から必要とする地図を特定するための情報の入力を受け付け、地図検索部１１が記憶部２から入力に応じた地図データを検索する（Ｓ１）。領域を指定して検索された地図データには、ユーザにとって必要のない細道路や表示しきれないほど沢山のランドマークが含まれていることがある。このように不要なオブジェクトが含まれる場合には、オブジェクト選択部１２に地図データが渡され、要約地図に必要なオブジェクトを選択するオブジェクト選択が実行される（Ｓ２）。一般の地図システムにおいて、道路等のオブジェクトはレイヤや種別等の属性情報によって管理され、縮尺に応じてどのレベルまで表示するかが決まっている。そこで、オブジェクト選択部ではこのように、属性情報に基づいてオブジェクトを選択してもよい。また、一般の地図システムにおいて、ランドマーク等のオブジェクトは何らかの順序付けに従って表示され、表示が重なる場合には表示しないといった方法がとられる。オブジェクト選択部ではこのように、何らかの順序付けに従って表示する方法をとってもよい。

次に、選択されたオブジェクトに含まれる道路がデフォルメ処理部１５に渡され、道路形状を簡略化するデフォルメ処理が実行される（Ｓ３）。河川や建物など道路以外のオブジェクトが存在する場合には、デフォルメ処理によって変形された道路と、選択された道路以外のオブジェクトがモーフィング処理部に渡され、道路の変形に追従させて他のオブジェクトを変形するモーフィング処理が実行される（Ｓ４）。さらに、オブジェクトの属性を示す文字列などの情報が存在する場合には、レイアウト処理部１４により、文字列などの情報を見やすく配置するレイアウト処理が実行される（Ｓ５）。最後に、デフォルメ処理結果の道路と、モーフィング処理結果の他のオブジェクトと、文字列などのレイアウトが地図出力部１４に渡され、表示モニタなどの出力装置４に重畳表示することによって要約地図が出力される（Ｓ６）。

図３は、図２のデフォルメ処理Ｓ３における処理の流れを示すフローである。図１を参照しつつ、図３に沿ってデフォルメ処理Ｓ３の流れを説明する。

要約地図生成の目的は例えば、狭い画面に表示する地図を生成することにある。このように狭い画面に表示する場合、画面解像度より詳細な道路形状の情報は必要ない。また、要約地図を用いれば地図を概念的に示すことができる。つまり、現実の道路形状をそのまま表示することに優先して、概略直線表示した方がユーザにわかりやすく情報を提供できることもある。そこでまず、道路形状を示すポリラインに多数の屈曲点が含まれている場合には、直線化処理部１６１により、屈曲点の情報を間引く直線化処理が実行される（Ｓ３１）。

次に、道路地図が直交・直進化処理部１６２に渡され、直交・直進化処理が実行される（Ｓ３２）。直交・直進化処理部１６２では、まず、道路地図の初期配置をノード配置Ａとして設定するノード配置の更新が実行される（Ｓ３２ａ）。ノードは道路地図の端点および屈曲点である。さらに、拘束条件設定部１６２ａと、最適化処理部１６２ｂと、トポロジー判定部１６２ｃとにより、道路形状のトポロジーを保存した拘束条件付き変形が実行される（Ｓ３２ｂ）。この変形結果はループ判定部１６２ｄに渡され、収束条件が満足されているかの判定処理が実行される（Ｓ３２ｃ）。収束条件が満足されない場合には、Ｓ２３ａのノード配置の更新に戻り、拘束条件付き変形Ｓ３２ｂの結果をノード配置Ａとして設定し、拘束条件付き変形Ｓ３２ｂを実行し、Ｓ３２ｃで収束条件が満足されるまで繰り返す。

ここで、Ｓ３２ｃにおける収束条件の判定基準について説明する。最適化処理部１６２ｂでは、評価関数ｆが最大または最小になるようなノード配置を求める。ｆの最大値は−ｆの最小値であるから、最大化と最小化は同じ問題と考えてよい。そこで、最小化する場合について説明する。本発明における評価関数ｆは、次に示す数１のように、ノード座標列ベクトルｘの関数として与えられる。

数１において、ｎはノード数を表す。図３に示したループの反復回数ｔを増加させていくと、評価関数ｆが最小値に近づいていき、評価関数ｆやノード座標列ベクトルｘに変化がなくなってくる。そこで、Ｓ３２ｃにおける判定基準は次に示す数２のように与えられる。

ここで、数２の左辺は評価関数ｆの勾配ベクトルのノルムを表す。これが０となることは最小化のための必要条件であるが、数値計算により、厳密に０になることはほとんどないので、適当な小さな値（ε₁）より小さいとしている。上記の数２に加えて、以下の数３および数４を併用して用いてもよい。

ここで、数３の左辺は評価関数の差分の絶対値、数４の左辺はノード移動ベクトルのノルムを表し、ε₂とε₃はそれぞれ適当な小さな値である。なお、ベクトルｘのノルムは例えば、次に示す数５のように与えられる。

さらに、要約地図の道路が水平・垂直になるようにしたい場合には、水平・垂直化処理部１６３により、道路が水平・垂直になるように回転する水平・垂直化処理が実行される（Ｓ３３）。

図４は、図３の拘束条件付き変形Ｓ３２ｂにおける処理の流れを示すフローである。図１を参照しつつ、図４に沿って拘束条件付き変形Ｓ３２ｂの流れを説明する。

まず、Ｓ３２ａで更新されたノード配置Ａをノード配置Ｂの初期値とするノード配置の初期化を実施する（Ｓ３２１）。次に、拘束条件設定部１６２ａにより、トポロジーに矛盾が生じづらくなるように評価関数に拘束条件を設定する拘束条件の設定が実行される（Ｓ３２２）。

ここで、１６２ａの拘束条件設定部を有しない場合の要約地図生成処理による処理例を図５に示す。図５（ａ）は直交・直進化処理前の道路形状を示す図、図５（ｂ）は直交・直進化処理後の道路形状を示す図である。ここでは、道路長の保存と道路の直交・直進化を基本として評価関数が決められ、道路長の保存をエッジに埋め込まれたバネで、道路の直交・直進化をエッジ間のなす角度に埋め込まれたバネで表現し、これらのバネのエネルギーを評価関数に設定しているものとする。

図５（ａ）に示すように、例えば、エッジ２１とエッジ２２とが直接には接続せず、ノード２３およびノード２４のような間接点を経由して接続している場合、このような道路形状に対して従来の直交・直進化処理を行うと、ノード２３およびノード２４で９０度になるような変形がなされるため、図５（ｂ）に示すように、エッジ２１とエッジ２２とが２５のように交差し、トポロジーに矛盾が生じてしまうという問題があった。

そこで本実施形態では、このような問題を解決するために、トポロジーに矛盾が生じづらくなるように評価関数に拘束条件を設定している。

図６は、本実施形態にかかる拘束条件の設定例を示す図である。図６において、エッジ２６はノードN1'とノードN2'とを接続する初期配置におけるエッジであり、エッジ２７はノードN1'とノードN2'とがそれぞれ移動したノードN1とノードN2とを接続するエッジである。ここで、本願においてはノードN1はノードN1'との間に、ノードN2はノードN2'との間にそれぞれバネが埋め込まれていると考える。つまり、各ノードの再配置前後の位置関係において、再配置前の位置にとどまるように拘束条件を設定する。このバネの存在が各ノードを初期配置に留まろうとするような拘束条件を示している。反復回数をｔとしたとき、この拘束化力に対応する評価関数は数６

のように与えられる。ここで、ｘ(ｔ)はｔ回目のノード座標列ベクトル、ｘ(０)は初期配置におけるノード座標列ベクトルを表す。ベクトルのノルムは数５に示した通りである。

本実施形態による評価関数は、特許文献１で用いられたバネのエネルギーに、図６に示した拘束条件を示すバネのエネルギーを追加することによって表現される。

図４ではさらに、最適化処理部１６２ｂにより、ノード配置Ｂを初期値から逐次的に移動させながら、評価関数を最小化するノード配置を求める最適化処理が実行される（Ｓ３２３）。この最適化処理Ｓ３２３は例えば、特許文献１に開示されたデフォルメ方法を実行し、最適化の収束計算には準ニュートン法や共役勾配法といった公知の手法が用いられる。

最適化処理Ｓ３２３の反復計算が終了すると、トポロジー判定部１６２ｃにより、道路形状のトポロジーに矛盾が生じているかの判定処理が実行される（Ｓ３２４）。トポロジーの矛盾は例えば、リンク同士の新たな交差やノードに接続するリンク順によって判定される。ここで、トポロジーに矛盾が生じている場合には、Ｓ３２１のノード配置の初期化に戻り、Ｓ３２２の拘束条件の設定で拘束条件を変更して、Ｓ３２３の最適化処理を実行し、Ｓ３２４でトポロジーに矛盾が生じなくなるまで繰り返す。Ｓ３２２の拘束条件の設定では、トポロジーに矛盾が生じづらくなるように拘束条件が厳しくなるように変更する。

図７は、本実施形態の要約地図生成処理における処理例を示す図であり、図７（ａ）は図５（ａ）と同じ直交・直進化処理前の道路形状を示す図、図７（ｂ）は直交・直進化処理後の道路形状を示す図である。

本実施形態によればトポロジーに矛盾が生じないように変形されるので、図７（ａ）に示すエッジ２１とエッジ２２とが交差することはなく、図７（ｂ）に示すようなトポロジーを保存させた直交・直進化処理が可能になる。

本発明の一実施形態にかかる要約地図生成装置の構成を示す図である。本発明の一実施形態にかかる要約地図生成処理の流れを示すフローである。要約地図生成処理におけるデフォルメ処理の流れを示すフローである。デフォルメ処理における拘束条件付き変形の流れを示すフローである。従来の直交・直進化処理における処理例を示す図である。図５（ａ）は直交・直進化処理前の道路形状を示す図、図５（ｂ）は直交・直進化処理後の道路形状を示す図である。本発明の一実施形態にかかる拘束条件の設定例を示す図である。本発明の一実施形態にかかる直交・直進化処理の処理例を示す図である。図７（ａ）は直交・直進化処理前の道路形状を示す図、図７（ｂ）は直交・直進化処理後の道路形状を示す図である。

符号の説明

１演算処理手段
２記憶手段
３入力手段
４出力手段
１１地図検索部
１２オブジェクト選択部
１３モーフィング処理部
１４レイアウト処理部
１５地図出力部
１６デフォルメ処理部
１６１直線化処理部
１６２直交・直進化処理部
１６２ａ拘束条件設定部
１６２ｂ最適化処理部
１６２ｃトポロジー設定部
１６２ｄループ処理部
１６３水平・垂直化処理部。

Claims

地図データを格納する記憶手段と、
前記記憶手段から地図データを検索する地図検索部と、前記検索された地図データから要約地図を生成するデフォルメ処理部と、
前記要約地図を出力する地図出力部とを備え、
前記デフォルメ処理部は、評価関数の拘束条件を設定する拘束条件設定部と、上記拘束条件に従った評価関数を用いて上記地図データ中の道路を構成するノードを再配置する最適化処理部とを有することを特徴とする要約地図生成装置。
前記デフォルメ処理部は、前記最適化処理部により上記道路のトポロジーに矛盾が生じているか判定するトポロジー判定部を備え、
前記拘束条件処理部は、前記トポロジー判定部でトポロジーに矛盾が生じている場合に、前記拘束条件を変更し、前記最適化処理部の処理を繰り返し実行することを特徴とする請求項１に記載の要約地図生成装置。
前記拘束条件設定部は、前記ノードが前記再配置前の配置に拘束されるような拘束条件を設定することを特徴とする請求項１に記載の要約地図生成装置。
前記拘束条件の変更は該拘束条件が厳しくなるようにパラメータを設定することを特徴とする請求項２に記載の要約地図生成装置。