CN111047682B

CN111047682B - 一种三维车道模型生成方法及***

Info

Publication number: CN111047682B
Application number: CN201911158219.3A
Authority: CN
Inventors: 聂佩林
Original assignee: Foshan University
Current assignee: Foshan University
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-11-22
Also published as: CN111047682A

Abstract

本发明涉及三维道路建模技术领域，具体涉及一种三维车道模型生成方法及***，首先将车道图层由经纬度坐标系转换成投影坐标系；并生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线；接着将车道划分为多个连续的三角面片，构建每块三角面片的二维坐标；通过将车道的DEM数据作为每块三角面片的高度值，构建每块三角面片的三维坐标；从而将三角面片依次连接得到三维车道模型，本发明可充分利用已有的二维电子地图数据，自动构建车道的三维模型，从而节省大量采集工作，并可以支撑微观交通仿真的需要。

Description

一种三维车道模型生成方法及***

技术领域

本发明涉及三维道路建模技术领域，具体涉及一种三维车道模型生成方法及***。

背景技术

三维交通路网模型和***是路径导航***、智能交通集成指挥调度***中的一项重要技术，对于复杂交叉口、多层立交，需要三维路网才能清楚表达道路的空间连接关系，才可能实现道路网络分析计算。目前一般的做法是利用三维建模软件(例如：3DMax、Maya等)，根据道路的几何尺寸进行建模应用，这种做法的缺点是工作量大。现有技术中，也有自动构建三维路网模型的方法，但是这些方法均以路段作为最小建模单元，不能描述车道之间的拓扑关系，难以满足路网空间分析的需要，从而难以支撑精细化的微观交通仿真应用。

而构建生成精细的三维车道模型，并生成基本的拓扑连接数据，才能支撑微观交通仿真的需要，因此，现有的三维车道路网模型亟待改进。

发明内容

本发明提供一种三维车道模型生成方法及***，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的一种三维车道模型生成方法，包括：

将车道图层由经纬度坐标系转换成投影坐标系；

生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线；

将车道划分为多个连续的三角面片，构建每块三角面片的二维坐标；

将车道的DEM数据作为每块三角面片的高度值，构建每块三角面片的三维坐标；

将三角面片依次连接得到三维车道模型。

进一步，所述生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线，包括：

获得投影坐标系下的车道坐标，求取车道坐标的中间值，并以所述中间值作为车道的中心线坐标；

根据车道的数量和宽度值，得到车道的缓冲距离；

以车道的中心线为基准，根据车道的缓冲距离将车道的中心线向两侧进行偏移，得到两条车道的边缘线。

进一步，所述将车道划分为多个连续的三角面片，构建每块三角面片的二维坐标，包括：

将车道的中心线和车道的边缘线分别划分为多条连续的直线段，将相邻两条直线段的连接点作为顶点；

将相对的两条直线段生成两个三角面片，每个三角面片的顶点按逆时针进行连接，从而将车道划分为多个连接的三角面片；

根据每个顶点的二维坐标构建每块三角面片的二维坐标。

进一步，所述将车道的DEM数据作为每块三角面片的高度值，构建每块三角面片的三维坐标，包括：

将三角面片中顶点的DEM数据作为该顶点的高度值，从而获取每个三角面片中顶点的三维坐标；

根据所述每个三角面片中顶点的三维坐标计算得出中心线的纵坐标；

将中心线的纵坐标作为车道的高度值，将车道的高度值与三角面片的二维坐标结合得出三角面片的三维坐标。

进一步，所述根据所述每个三角面片中顶点的三维坐标计算得出中心线的纵坐标，包括：

设定中心线上任一控制点的三维坐标，获取该控制点的二维坐标，以确定经过该控制点且垂直于XOY平面的直线方程；

根据三角面片的三个顶点建立三角面片的平面方程；

根据所述直线方程和平面方程得出该控制点的纵坐标；

根据中心线上全部控制点的纵坐标得出中心线的纵坐标。

进一步，所述将中心线的纵坐标作为车道的高度值之前，包括：

判断该控制点是否在所述三角面片内部，若是，则将该控制点的纵坐标作为该控制点所处车道的高度值；

确定中心线上全部的控制点均处于所对应的三角面片内部。

进一步，所述将三角面片依次连接得到三维车道模型，包括：

计算每个控制点对应的UV坐标，对每个三角面片进行连续贴图，输出三维车道模型。

根据本发明第二方面实施例的一种三维车道模型生成***，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现第一方面实施例所述的三维车道模型生成方法。

本发明的有益效果是：本发明公开一种三维车道模型生成方法及***，首先将车道图层由经纬度坐标系转换成投影坐标系；并生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线；接着将车道划分为多个连续的三角面片，构建每块三角面片的二维坐标；通过将车道的DEM数据作为每块三角面片的高度值，构建每块三角面片的三维坐标；从而将三角面片依次连接得到三维车道模型。本发明可充分利用已有的二维电子地图数据，自动构建车道的三维模型，可节省大量采集工作，并可以支撑微观交通仿真的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一种三维车道模型生成方法的流程示意图；

图2是图1中实施例步骤S200的流程示意图；

图3是图1中实施例步骤S200的效果示意图；

图4是图1中实施例步骤S300的效果示意图；

图5是图1中实施例步骤S400的效果示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图1，如图1所示为一种三维车道模型生成方法，包括以下步骤：

步骤S100、将车道图层由经纬度坐标系转换成投影坐标系。

本步骤可采用ArcGIS或ArcMap等工具进行处理，由经纬度坐标系转换成投影坐标系，是为了便于后续在投影坐标系下进行计算。坐标转换应根据道路所在的地域，采用本地坐标系，以保证坐标转换的精度。本实施例中取地面为XOY平面，道路的高度方向为Z轴。

步骤S200、生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线。

所述的中心线和边缘线是由一系列点组成的折线，中心线和边缘线由各自的顶点坐标点集合表示。

步骤S300、将车道划分为多个连续的三角面片，构建每块三角面片的二维坐标。

步骤S400、将车道的DEM数据作为每块三角面片的高度值，构建每块三角面片的三维坐标。

步骤S500、将三角面片依次连接得到三维车道模型。

车道是车辆行驶的基本载体，一个路段由若干车道相接组成，本实施例中，车道图层可利用现有的电子地图数据获取，无需人工进行地图数据采集，本方案以更小颗粒度的车道作为基本生成单元。具有更小的对象颗粒度，将使得三维路网更将精细，也将支撑更精细的业务应用功能(例如微观交通仿真)；本方案通过采用基于空间解析几何的数学处理算法，构建每块三角面片的三维坐标，可让车道的走向坡度与地形保持一致。本方案可充分利用已有的二维电子地图数据，根据车道设计的约束规则，结合地形数据，自动构建车道的三维模型。从而使得三维路网数据可以支撑微观交通仿真的需要。

参考图2和图3，在一个优选的实施例中，所述步骤S200包括：

步骤S210、获得投影坐标系下的车道坐标，求取车道坐标的中间值，并以所述中间值作为车道的中心线坐标。

本步骤中，通过连续的车道坐标生成连续的中间值，该中间值为中心点坐标，连续的中心点坐标形成中心线坐标。由于投影坐标系的坐标数值较大，所以根据获得坐标，求取中间值，并以中间值作为平移量，即向两侧做线缓冲，缓冲距离分别为D1、D2，得到平移后的道路中心线坐标。由于道路中心线是由一系列点组成的折线，缓冲计算是对每条折线进行，然后求取相邻两段折线的交点。

步骤S220、根据车道的数量和宽度值，得到车道的缓冲距离；

由于车道的宽度值按照标准制定，在确定好车道的数量后，即可按照一个固定的距离，对所有直线段做横向平移。

步骤S230、以车道的中心线为基准，根据车道的缓冲距离将车道的中心线向两侧进行偏移，得到两条车道的边缘线。

其中，道路中心线可理解为是由一系列点组成的折线，在对每条折线进行缓冲计算后，将相邻两端折线进行连接，求取相邻两段折线的交点，从而得到偏移后的边缘线。

在一个优选的实施例中，所述步骤S300具体为：

首先，将车道的中心线和车道的边缘线分别划分为多条连续的直线段，将相邻两条直线段的连接点作为顶点；

接着，将相对的两条直线段生成两个三角面片，每个三角面片的顶点按逆时针进行连接，从而将车道划分为多个连接的三角面片；

最后，根据每个顶点的二维坐标构建每块三角面片的二维坐标。所述二维坐标即为车道在水平面投影的坐标。

如图4所示，组成车道中心线的直线段序列L1′、L2′、L3′，经过缓冲计算后，得到车道边缘线1，其直线段序列为L1、L2、L3，得到车道边缘线2，其直线段序列为L1″、L2″、L3″；对车道中心线，可求得相邻直线段L1′和L2′的交点v1，直线段L2′和L3′的交点v4；同样算法，可求得相邻直线段L1″和L2″的交点v2，直线段L2″和L3″的交点v3；其中顶点v1和v2、v4和v3在车道中心线的序号一致，按逆时针顺序，则可得到(v1，v2，v4)和(v2，v3，v4)两组三角面片。

结合图5，在一个优选的实施例中，所述步骤S400包括：

首先，将三角面片中顶点的DEM数据作为该顶点的高度值，从而获取每个三角面片中顶点的三维坐标；接着，根据所述每个三角面片中顶点的三维坐标计算得出中心线的纵坐标；将中心线的纵坐标作为车道的高度值，将车道的高度值与三角面片的二维坐标结合得出三角面片的三维坐标。

在一个优选的实施例中，所述步骤S420包括：

(1)设定中心线上任一控制点的三维坐标，获取该控制点的二维坐标，以确定经过该控制点且垂直于XOY平面的直线方程；

(2)根据三角面片的三个顶点建立三角面片的平面方程；

(3)根据所述直线方程和平面方程得出该控制点的纵坐标；

(4)根据中心线上全部控制点的纵坐标得出中心线的纵坐标。

本实施例中，对中心线顶点作地面的垂直线，根据顶点坐标和垂直向量可得到垂直线的方程，同时根据DEM数据顶点坐标，可计算出每块地面三角形面片的平面方程，对这两个方程求交点，并判断点是否在地面三角面片内部，如果在三角形内部，则为该顶点在地形上的投影点，也就是实际的车道中心线位置坐标。遍历车道中心线顶点和地形三角面片，可求得所有的车道中心线顶点高度坐标。

车道中心线的顶点坐标X、Y、Z分量值均已经得到，将所有三角面片顶点按逆时针连接，可得到表示车道路面的所有三角面片顶点序列。

本实施例中，根据步骤S300已经得到各顶点的XY坐标，即道路在地面投影的坐标。由于道路还会由高低起伏，其高度主要受地形影响。因此，可利用地形的DEM数据作为计算车道顶点高度的基准数据。

本实施例中，从每一个车道中心线顶点作地面的垂直线，根据顶点坐标和垂直向量可得到垂直线的方程，同时根据DEM数据顶点坐标，可计算出每块地面三角形面片的平面方程，对这两个方程求交点，并判断点是否在地面三角面片内部，如果在三角形内部，则为该顶点在地形上的投影点，也就是实际的车道中心线位置坐标。遍历车道中心线顶点和地形三角面片，可求得所有的车道中心线顶点高度坐标。

经过步骤S300和步骤S400，车道中心线的顶点坐标X、Y、Z分量值均已经得到，按逆时针组织可得到表示车道路面的所有三角面片顶点序列。

在一个优选的实施例中，所述将中心线的纵坐标作为车道的高度值之前，包括：

判断该控制点是否在所述三角面片内部，若是，则将该控制点的纵坐标作为该控制点所处车道的高度值；以及确定中心线上全部的控制点均处于所对应的三角面片内部。

本实施例中，采用point in polygon算法判断控制点是否在所述三角面片内部。

在一个优选的实施例中于，所述步骤S500具体为：

具体地，在得出计算每个控制点对应的UV坐标之后，可通过OpenGL对每一个三角面片进行连续贴图，最终得出完整的三维车道模型。

通过以上一个或多个实施例的描述可见，与现有技术相比，本发明所采用的技术方案具有如下优点：

(1)、三维精细车道自动生成技术：

现有技术以路段作为最小的生成单元，本方案以更小颗粒度的车道作为基本生成单元。更小的对象颗粒度将使得三维路网更将精细，也将支撑更多的业务应用功能(例如微观交通仿真)。

(2)、充分利用已有电子地图数据：

现有技术对原始的数据有较高的要求，为了满足自动生成的目标，一般要求对数据进行重新采集。本方案可利用现有的电子地图数据，采用本方案可节省大量采集工作。

(3)、融合地形数据：

道路走向受地形影响，本方案通过采用基于空间解析几何的数学处理算法，可让车道的走向坡度与地形保持一致。

参考图5，为更好的说明本发明的技术方案，本发明还提供如下一种求解的具体实施例。

对于车道中心线上的任一控制点V1(a,b,c),则经过点V1，垂直于XOY平面的直线方程为：

X＝a,Y＝b (1)

设地形DEM数据三角面片三个顶点的坐标为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，则该三角面片所处的平面方程为：

令方程为：

A(x-x1)+B(y-y1)+C(z-z1)＝0； (3)

则：

A＝(y3-y1)*(z3-z1)-(z2-z1)*(y3-y1)； (4)

B＝(x3-x1)*(z2-z1)-(x2-x1)*(z3-z1)； (5)

C＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)； (6)

将(1)式代入(3)式，可得垂直线和地形三角面片的交点坐标：

X＝a (7)

Y＝b (8)

Z＝z1–(A(a-x1)+B(b-y1))/C (9)

接下来需进一步判断交点是否在三角面片内部，可采用现有的Point In Polygon算法判断即可，如果交点在某地形三角面片内，则该交点的纵坐标Z值为车道中心线上该控制点的高程值，即将该交点的纵坐标作为控制点所处车道的高度值，至此得到车道中心线控制点的X、Y、Z坐标。

与上述方法相对应，本发明第二方面实施例还提供一种三维车道模型生成***，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

上述方法实施例中的内容均适用于本***实施例中，本***实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

所称处理器可以是中央处理单元(Central-Processing-Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital-Signal-Processor，DSP)、专用集成电路(Application-Specific-Integrated-Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable-Gate-Arr ay，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种三维车道模型生成***的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种三维车道模型生成***可运行装置的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种三维车道模型生成***的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart-Media-Card，SMC)，安全数字(Secure-Digital，SD)卡，闪存卡(Flash-Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求，考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims

1.一种三维车道模型生成方法，其特征在于，包括：

将车道图层由经纬度坐标系转换成投影坐标系；

生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线；

将三角面片依次连接得到三维车道模型；

其中，所述生成投影坐标系下车道的中心线和边缘线，包括：

根据车道的数量和宽度值，得到车道的缓冲距离；

以车道的中心线为基准，根据车道的缓冲距离将车道的中心线向两侧进行偏移，得到两条车道的边缘线；

所述将车道划分为多个连续的三角面片，构建每块三角面片的二维坐标，包括：

根据每个顶点的二维坐标构建每块三角面片的二维坐标；

所述将车道的DEM数据作为每块三角面片的高度值，构建每块三角面片的三维坐标，包括：

将中心线的纵坐标作为车道的高度值，将车道的高度值与三角面片的二维坐标结合得出三角面片的三维坐标；

所述根据所述顶点的三维坐标计算得出中心线的纵坐标，包括：

根据三角面片的三个顶点建立三角面片的平面方程；

根据所述直线方程和平面方程得出该控制点的纵坐标；

根据中心线上全部控制点的纵坐标得出中心线的纵坐标。

2.根据权利要求1所述的一种三维车道模型生成方法，其特征在于，所述将中心线的纵坐标作为车道的高度值之前，包括：

确定中心线上全部的控制点均处于所对应的三角面片内部。

3.根据权利要求1所述的一种三维车道模型生成方法，其特征在于，所述将三角面片依次连接得到三维车道模型，包括：

4.一种三维车道模型生成***，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-3任一项所述的三维车道模型生成方法。