車輛導(dǎo)航中三維立交建模與路徑引導(dǎo)方法研究

梁高明

（1.深圳市凱立德科技股份有限公司，廣東 深圳 518042）

隨著城市的快速建設(shè)和發(fā)展，城市的道路交通網(wǎng)絡(luò)也日益復(fù)雜起來，尤其是大量立交橋的建設(shè)，給人們生活帶來便利的同時(shí)也帶來了辨識的迷茫。傳統(tǒng)的二維導(dǎo)航電子地圖已無法直觀地反映立交的交錯(cuò)關(guān)系，在復(fù)雜道路網(wǎng)絡(luò)中的路徑引導(dǎo)效果已不能滿足出行需求。基于此，本文利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)的方法對城市道路中的立交橋進(jìn)行三維建模，并結(jié)合三維立交的車輛導(dǎo)航路徑引導(dǎo)進(jìn)行了研究，將為導(dǎo)航系統(tǒng)提供一個(gè)交互式的逼真的三維立交虛擬場景。

1 常見立體交叉口

當(dāng)車流量過大時(shí)，平面交叉口往往會導(dǎo)致交通阻塞，此時(shí)可考慮采用立體交叉。通過修建立交橋和匝道使相交道路的車流在不同高程上跨越，從空間上將車流分開，以消除或減少沖突點(diǎn)，從而提高車輛通過交叉口的速度，增大交叉口通行能力，在很大程度上保障交通安全[1]。立體交叉主要由立交橋、引道和坡道3部分組成。立交橋是跨越道路的跨路橋或下穿道路的地道橋；引道是道路與立交橋相接的橋頭路；坡道是道路與立交橋下路面連接的路段?；ネㄊ搅⒔贿€有連接上下2條相交道路的匝道。

按照交通功能和匝道的布置方式，立交可分為分離式和互通式2大類?；ネㄊ搅⒔灰蚱浣煌ńM織復(fù)雜，在車輛通行時(shí)辨識難度較高。根據(jù)交叉路口的實(shí)際情況，互通式立交又分為很多類型，包括完全互通的完全苜蓿葉形立交和三岔的喇叭形立交、部分互通的部分苜蓿葉形立交和菱形交叉立交以及環(huán)形立交等[2]。圖1依次為完全苜蓿葉形、喇叭形、部分苜蓿葉形、菱形和環(huán)形立交。

圖1 常見立體交叉口示意圖

2 三維立交建模

在傳統(tǒng)的導(dǎo)航軟件中，導(dǎo)航電子地圖大多采用二維的形式來表達(dá)，立交在地圖上僅僅是一個(gè)平面的線路圖，只能給用戶提供抽象的視覺效果。而實(shí)際上，立交的結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，僅通過二維的平面圖無法使用戶準(zhǔn)確、直觀地理解行車路線，給用戶的出行造成困難。因此需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對立交橋進(jìn)行三維建模，以提供盡可能接近現(xiàn)實(shí)的視覺效果。

常見的虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景建模方法有基于幾何模型的方法和基于圖像的方法[3]?；趲缀文Ｐ偷奶摂M建模過程為：首先對真實(shí)場景進(jìn)行抽象，用多邊形構(gòu)造出場景的三維幾何模型，同時(shí)建立好光照和材質(zhì)模型；然后采用紋理映射的方法對場景進(jìn)行貼圖；最后控制觀察視點(diǎn)，在輸出設(shè)備上實(shí)時(shí)渲染實(shí)景畫面，從而完成整個(gè)場景的漫游[4]，具體流程如圖2所示。

針對立交場景的特殊性，采用VRML技術(shù)進(jìn)行三維立交的建模[5]。將三維立交場景切分成立交橋體、背景、樹3大部分，分別采用VRML對其進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，然后將從現(xiàn)場采集到的紋理圖片信息通過紋理映射技術(shù)貼合到已建的三維模型上，最后在基礎(chǔ)模型構(gòu)造完成的基礎(chǔ)上，利用Inline節(jié)點(diǎn)將所有模型連接起來，完成整個(gè)立交的三維建模。在保證三維立交橋與現(xiàn)實(shí)立交橋盡量一致的前提下，為了能讓三維立交橋與二維的導(dǎo)航電子地圖緊密結(jié)合，在立交橋建模時(shí)，約定如下：

①基礎(chǔ)道路數(shù)據(jù)需帶高程信息；②模型中心點(diǎn)以及建模范圍需要和二維矢量地圖建立一定的對應(yīng)關(guān)系，便于三維渲染的地圖與二維矢量地圖的完美結(jié)合；③建模過程盡量參考立交橋真實(shí)的情況，如車道寬度、車道線、立交橋高程、導(dǎo)流線等；④為了能夠在三維立交數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)定位和正確導(dǎo)航，立交橋面與二維導(dǎo)航地圖道路路段需要建立一一對應(yīng)的關(guān)系。

圖2 基于幾何模型的虛擬建模法流程圖

2.1 立交橋體建模

立交橋體建模可分為3個(gè)部分：公路建模、橋體建模和橋墩建模。

公路建模在三維立交場景中是最基本也是最主要的，在進(jìn)行公路建模時(shí)，采用了VRML中的面造型節(jié)點(diǎn)和圖像紋理映射技術(shù)。利用IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)來創(chuàng)建空間平面造型，由任意多個(gè)平面坐標(biāo)點(diǎn)依次首尾連接形成的一個(gè)封閉的折線區(qū)域，然后進(jìn)行面造型的渲染形成幾何平面，最后通過紋理映射使用Appearance節(jié)點(diǎn)的texture域調(diào)用道路表面紋理圖像進(jìn)行紋理貼合。同時(shí)采用圖像紋理映射技術(shù)將綠色的草坪圖片映射到中間帶模型的表面上，形成公路綠化帶，增強(qiáng)公路的真實(shí)感。

橋體模型的建立是三維立交模型的重要部分，由空中橋體部分和地面公路與空中橋體部分的連接路段2部分組成。對于空中橋體部分的建立可以采用內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，使用已經(jīng)建立好的公路模塊，通過坐標(biāo)位置變換重新定義公路模塊的位置即可。地面公路與空中橋體部分的連接路段建模是橋體模型建立的難點(diǎn)，因?yàn)樗遣灰?guī)則的形狀，因此需要使用IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模。

橋墩模型的建立相對比較簡單，因?yàn)樗且?guī)則的圓柱體或長方體，直接利用DEF定義Bridge節(jié)點(diǎn)，使用Shape節(jié)點(diǎn)定義圓柱體或長方體即可。

2.2 背景建模

在導(dǎo)航中，為了增添畫面的真實(shí)感，往往要求呈現(xiàn)出藍(lán)天、白云及綠地等效果。它們距離視點(diǎn)很遠(yuǎn)，沒有細(xì)節(jié)要求，只強(qiáng)調(diào)表現(xiàn)效果?？赏ㄟ^構(gòu)造閉合的、由若干多邊形組成的“圍墻”，在相應(yīng)四邊形上映射相應(yīng)的紋理，實(shí)現(xiàn)該方向上遠(yuǎn)景的模擬。同樣，對天空的模擬，采用加蓋一個(gè)四邊形或棱臺作為“屋頂”，在表面上映射相應(yīng)天氣效果的紋理。利用VRML提供的設(shè)置背景的節(jié)點(diǎn)background進(jìn)行立交橋三維場景背景的設(shè)置。

2.3 樹的建模

在很多三維顯示效果中，路邊的樹都是用一個(gè)大的綠色圓錐表示的，缺乏真實(shí)感。采用VRML技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)樹的逼真顯示，將樹的形態(tài)進(jìn)行分形描述后生成的三維樹具有三維立體感和較強(qiáng)的真實(shí)感，交互性更強(qiáng)[6]。值得注意的是，必須采用Billboard組節(jié)點(diǎn)，外形Shape節(jié)點(diǎn)作為該組節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，這樣才能保證樹的外形始終處于可視的位置。此外，紋理圖像必須是背景透明的，這樣才能保證場景中樹的質(zhì)量。

對立交橋體、背景及樹建模完成以后，采用渲染引擎對三維地物進(jìn)行渲染，根據(jù)建模選定的中心點(diǎn)位置，計(jì)算與地圖中心點(diǎn)在X、Y平面上的偏移，偏移三維立交橋到攝像機(jī)的坐標(biāo)系，通過導(dǎo)航定位確定的三維視點(diǎn)、視角等渲染信息渲染繪制。三維立交建模效果圖如圖3所示。

圖3 三維立交建模實(shí)現(xiàn)效果圖

3 路徑引導(dǎo)

導(dǎo)航的核心功能是路徑規(guī)劃和路徑引導(dǎo)。由于路徑規(guī)劃現(xiàn)有算法已較成熟，加入的三維立交場景也是在原有二維電子地圖基礎(chǔ)上添加的，因此無需再做研究；而路徑引導(dǎo)不同，在立交三維導(dǎo)航中，視點(diǎn)不斷地穿透場景中的某些對象，這對引導(dǎo)效果的逼真性提出了更高的要求。

在三維立交導(dǎo)航中，期望實(shí)現(xiàn)的效果是視點(diǎn)始終保持相對于地面或其他對象有一定的距離，同時(shí)又不能漂浮在路面上空或者跨越穿透立交的其他對象。與二維平面圖上路徑顯示不同的是，三維立交中路徑的顯示受上下層路面的影響，不能簡單地貼合于圖面之上，要考慮立交上下層路面及其他立交對象。根據(jù)預(yù)先建立的對應(yīng)關(guān)系，首先將二維電子地圖中的定位信息映射到三維模型中對應(yīng)的位置，然后根據(jù)三維模型的位置、高程以及路面情況來決定三維渲染的視點(diǎn)、視角等信息，如圖4所示。

圖4 三維立交導(dǎo)航路徑引導(dǎo)效果圖

[1]趙筱陽,容青艷.立交橋三維虛擬場景建模與指定路徑的實(shí)時(shí)漫游[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,1(5):21-24

[2]吳俁,康永偉,楊勇.基于車載三維測量系統(tǒng)的立交橋三維信息獲取研究[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,5(30):63-66

[3]左建章,關(guān)艷玲,朱強(qiáng).大范圍三維城市立體景觀建模系統(tǒng)的研究[J].測繪科學(xué),2005, 30 (2):22-24

[4]洪德法,盧文喜,李偉，等.三維虛擬校園系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息,2012,10(1)：84-87

[5]王艷慧.基于VRML三維動態(tài)虛擬場景的實(shí)現(xiàn)[J].四川測繪,2002, 25 (1):8-14

[6]張文春,張濤,李偉東，等.基于VRML的道路三維虛擬景觀構(gòu)建[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007,2(24):22-24

[7]郭建鋒.道路立交三維視景仿真技術(shù)研究[D].南京:東南大學(xué),2005