车辆导航中三维立交建模与路径引导方法研究

2013-09-28梁高明

地理空间信息 2013年4期

梁高明

（1.深圳市凯立德科技股份有限公司，广东深圳 518042）

随着城市的快速建设和发展，城市的道路交通网络也日益复杂起来，尤其是大量立交桥的建设，给人们生活带来便利的同时也带来了辨识的迷茫。传统的二维导航电子地图已无法直观地反映立交的交错关系，在复杂道路网络中的路径引导效果已不能满足出行需求。基于此，本文利用三维虚拟现实的方法对城市道路中的立交桥进行三维建模，并结合三维立交的车辆导航路径引导进行了研究，将为导航系统提供一个交互式的逼真的三维立交虚拟场景。

1 常见立体交叉口

当车流量过大时，平面交叉口往往会导致交通阻塞，此时可考虑采用立体交叉。通过修建立交桥和匝道使相交道路的车流在不同高程上跨越，从空间上将车流分开，以消除或减少冲突点，从而提高车辆通过交叉口的速度，增大交叉口通行能力，在很大程度上保障交通安全[1]。立体交叉主要由立交桥、引道和坡道3部分组成。立交桥是跨越道路的跨路桥或下穿道路的地道桥；引道是道路与立交桥相接的桥头路；坡道是道路与立交桥下路面连接的路段。互通式立交还有连接上下2条相交道路的匝道。

按照交通功能和匝道的布置方式，立交可分为分离式和互通式2大类。互通式立交因其交通组织复杂，在车辆通行时辨识难度较高。根据交叉路口的实际情况，互通式立交又分为很多类型，包括完全互通的完全苜蓿叶形立交和三岔的喇叭形立交、部分互通的部分苜蓿叶形立交和菱形交叉立交以及环形立交等[2]。图1依次为完全苜蓿叶形、喇叭形、部分苜蓿叶形、菱形和环形立交。

图1 常见立体交叉口示意图

2 三维立交建模

在传统的导航软件中，导航电子地图大多采用二维的形式来表达，立交在地图上仅仅是一个平面的线路图，只能给用户提供抽象的视觉效果。而实际上，立交的结构往往非常复杂，仅通过二维的平面图无法使用户准确、直观地理解行车路线，给用户的出行造成困难。因此需要利用虚拟现实技术对立交桥进行三维建模，以提供尽可能接近现实的视觉效果。

常见的虚拟现实三维场景建模方法有基于几何模型的方法和基于图像的方法[3]。基于几何模型的虚拟建模过程为：首先对真实场景进行抽象，用多边形构造出场景的三维几何模型，同时建立好光照和材质模型；然后采用纹理映射的方法对场景进行贴图；最后控制观察视点，在输出设备上实时渲染实景画面，从而完成整个场景的漫游[4]，具体流程如图2所示。

针对立交场景的特殊性，采用VRML技术进行三维立交的建模[5]。将三维立交场景切分成立交桥体、背景、树3大部分，分别采用VRML对其进行建模实现，然后将从现场采集到的纹理图片信息通过纹理映射技术贴合到已建的三维模型上，最后在基础模型构造完成的基础上，利用Inline节点将所有模型连接起来，完成整个立交的三维建模。在保证三维立交桥与现实立交桥尽量一致的前提下，为了能让三维立交桥与二维的导航电子地图紧密结合，在立交桥建模时，约定如下：

①基础道路数据需带高程信息；②模型中心点以及建模范围需要和二维矢量地图建立一定的对应关系，便于三维渲染的地图与二维矢量地图的完美结合；③建模过程尽量参考立交桥真实的情况，如车道宽度、车道线、立交桥高程、导流线等；④为了能够在三维立交数据中实现定位和正确导航，立交桥面与二维导航地图道路路段需要建立一一对应的关系。

图2 基于几何模型的虚拟建模法流程图

2.1 立交桥体建模

立交桥体建模可分为3个部分：公路建模、桥体建模和桥墩建模。

公路建模在三维立交场景中是最基本也是最主要的，在进行公路建模时，采用了VRML中的面造型节点和图像纹理映射技术。利用IndexedFaceSet节点来创建空间平面造型，由任意多个平面坐标点依次首尾连接形成的一个封闭的折线区域，然后进行面造型的渲染形成几何平面，最后通过纹理映射使用Appearance节点的texture域调用道路表面纹理图像进行纹理贴合。同时采用图像纹理映射技术将绿色的草坪图片映射到中间带模型的表面上，形成公路绿化带，增强公路的真实感。

桥体模型的建立是三维立交模型的重要部分，由空中桥体部分和地面公路与空中桥体部分的连接路段2部分组成。对于空中桥体部分的建立可以采用内联节点，使用已经建立好的公路模块，通过坐标位置变换重新定义公路模块的位置即可。地面公路与空中桥体部分的连接路段建模是桥体模型建立的难点，因为它是不规则的形状，因此需要使用IndexedFaceSet节点进行建模。

桥墩模型的建立相对比较简单，因为它是规则的圆柱体或长方体，直接利用DEF定义Bridge节点，使用Shape节点定义圆柱体或长方体即可。

2.2 背景建模

在导航中，为了增添画面的真实感，往往要求呈现出蓝天、白云及绿地等效果。它们距离视点很远，没有细节要求，只强调表现效果。可通过构造闭合的、由若干多边形组成的“围墙”，在相应四边形上映射相应的纹理，实现该方向上远景的模拟。同样，对天空的模拟，采用加盖一个四边形或棱台作为“屋顶”，在表面上映射相应天气效果的纹理。利用VRML提供的设置背景的节点background进行立交桥三维场景背景的设置。

2.3 树的建模

在很多三维显示效果中，路边的树都是用一个大的绿色圆锥表示的，缺乏真实感。采用VRML技术可以实现树的逼真显示，将树的形态进行分形描述后生成的三维树具有三维立体感和较强的真实感，交互性更强[6]。值得注意的是，必须采用Billboard组节点，外形Shape节点作为该组节点的子节点，这样才能保证树的外形始终处于可视的位置。此外，纹理图像必须是背景透明的，这样才能保证场景中树的质量。

对立交桥体、背景及树建模完成以后，采用渲染引擎对三维地物进行渲染，根据建模选定的中心点位置，计算与地图中心点在X、Y平面上的偏移，偏移三维立交桥到摄像机的坐标系，通过导航定位确定的三维视点、视角等渲染信息渲染绘制。三维立交建模效果图如图3所示。

图3 三维立交建模实现效果图

3 路径引导

导航的核心功能是路径规划和路径引导。由于路径规划现有算法已较成熟，加入的三维立交场景也是在原有二维电子地图基础上添加的，因此无需再做研究；而路径引导不同，在立交三维导航中，视点不断地穿透场景中的某些对象，这对引导效果的逼真性提出了更高的要求。

在三维立交导航中，期望实现的效果是视点始终保持相对于地面或其他对象有一定的距离，同时又不能漂浮在路面上空或者跨越穿透立交的其他对象。与二维平面图上路径显示不同的是，三维立交中路径的显示受上下层路面的影响，不能简单地贴合于图面之上，要考虑立交上下层路面及其他立交对象。根据预先建立的对应关系，首先将二维电子地图中的定位信息映射到三维模型中对应的位置，然后根据三维模型的位置、高程以及路面情况来决定三维渲染的视点、视角等信息，如图4所示。