专利名称：三维电子地图数据的生成方法
技术领域：
本发明涉及生成建筑物的三维电子数据的三维建模技术、以及使用该建模方法生成三维电子地图数据的技术。
背景技术：
近年来，可在计算机上使用的电子化的地图数据(以下，称为“电子地图数据”)得到了广泛的应用。电子地图数据应用于通常的个人计算机上的地图显示、车载导航系统、通过互联网的地图的提供以及印刷物地图的底版制作等。并且，在导航系统中使用三维显示，以使驾驶员能够直观地判断前进的道路。通过三维显示建筑物等，可更加容易地把握现在位置及前进道路。
进行三维显示需要建筑物的三维数据。而对于作为地图显示对象的多个建筑物来说，获取它们的三维数据、特别是与高度相关的数据是很费力的。目前提出了很多种用于减少所述劳动的技术。所述技术例如有在日本专利第3015353号中所记载的技术以及由东京大学生产技术研究所的赵卉菁等发表的“基于距离图像的三维城市空间数据的自动测量方法的仿真”(日本照相测量学会照相测量与遥感，Vol.36，No.4，1997.)等。前者是一种通过改进建筑物高度的测量点及方向来减少获取数据的劳动的技术。后者是一种将激光测距仪(距离测量装置)的测量结果与CCD图像重叠起来获取三维数据的方式。
另一方面，为了对没有获得三维数据的建筑物进行三维建模，采用了不管其实际高度而假设成一定高度的方法，或从建筑物的层数推测其高度的方法。这些方法都是一种模拟的三维建模方法，都不能充分反映现实状态。
在现有的三维建模方法中，为了进行充分反映实际状态的建模，需要对各个建筑物进行一些测量。而为了生成实用的三维电子地图数据，则需要对数量庞大的建筑物进行三维建模。因此，现有技术在减少测量劳动的方面做得还不够充分，为了生成三维电子地图数据，同样还是需要非常庞大的劳动。
此外，建筑物每几年就有新建、拆毁等的变化。因此，为了确保三维电子地图数据的实用性，需要在能够跟踪所述建筑物变化的期间内进行三维建模。但是，现有技术由于在进行三维建模时需要很长时间，所以也不能在时间上充分满足所述要求。
发明内容
本发明是鉴于所述问题作出的，其目的在于提供一种能够以较少的劳动进行反映实际建筑物状态的实用的三维建模的技术。此外，本发明的目的还在于提供一种通过所述三维建模在短时间内生成三维电子地图数据的技术。
为了至少解决上述问题中的一部分，本发明通过使用计算机等在虚拟的空间内进行建筑物的照片与平面形状之间的匹配，从而实现不用测量高度的三维建模。在说明本发明的结构之前，首先对在本发明中实现三维建模的原理进行说明。
图1是本发明三维建模的原理说明图。该图示出了在计算机的显示器DISP中显示的虚拟空间的状态。该虚拟空间是通过纬度、经度、高度等三维坐标系来定义的。在最初阶段，在显示器DISP中只显示虚拟空间中的地面GRD。
在如上预备的虚拟空间内，配置作为三维建模对象的建筑物(以下，简称为对象物)的照片PIC，以及对象物的平面形状PV。这里，根据摄影时的摄影位置以及照相机的方向、视场角等信息来配置照片PIC。这样配置的照片PIC，如果在虚拟空间内有对象物存在，则表示用于表示所述对象物图像PB。另一方面，对象物的平面形状PV，可以很容易地从已有的二维地图数据中获得。
接着，如图的下方所示，将平面形状PV向高度方向平移。这样就在虚拟空间中生成了平面形状PV的虚拟的三维模型。如上所述，照片PIC，如果在虚拟空间内有对象物存在，则表示由此得到的图像PB。因此，当向高度方向平移平面形状PV而得到的三维模型与图像PB重合时，该三维模型即成为反映了实际对象的高度的模型。在本实施例中，通过向高度方向平移平面形状来实现对象物的三维建模，从而，如上述再现通过摄影得到的景色。
在图1中，基于计算机的显示画面说明了本发明的原理。下面，基于摄影时的状态来说明本发明的原理。图2是摄影图像与建筑物之间的关系说明图。上方表示摄影时的平面形状V1，中间表示侧视图V2，下方表示所得照片PIC的状态。
如平面形状V1所示，在本例中，在照相机DSC的视场角θ区域内，存在两个建筑物BLDa、BLDb。在照片PIC中，两个建筑物被拍成了几乎相等的高度，但如侧视图V2所示，每个建筑物的高度分别为Ha、Hb，并不相同。在侧视图V2内的照片PIC中，用粗线表示建筑物被拍摄的范围。很显然，粗线的顶部位于照相机DSC与建筑物顶部的连线上。
本发明在虚拟空间内通过再现图2所示的位置关系来进行三维建模。在虚拟空间内开始建模的最初，建筑物BLDa、BLDb的高度是未知的。但是，如果将照相机DSC及照片PIC以与摄影时相同的位置关系进行配置，则在PIC所显示的建筑物(图中的粗线)的延长线上应存在建筑物BLDa、BLDb的顶部。在虚拟空间内通过重合向高度方向平移平面形状而得到的模型的顶部与照片顶部，可以在虚拟空间内再现如图2所示的位置关系。因此，即使不测量建筑物BLDa、BLDb的实际高度，也能够在虚拟空间内确定它们各自的高度。
以上说明了本发明中的三维建模的原理。这里，为了使原理更容易理解，根据图1以及图2所示的具体例子进行了说明，但是本发明并不局限于这些内容。下面，说明基于所述原理构成的本发明的概念。
本发明的三维建模方法由如下所示的步骤构成。在本发明的步骤(a)中，输入用电子数据表示的建筑物的照片。照片的输入，例如，可以通过输入用数码相机得到的电子数据来完成，或者也可以通过利用扫描仪将氯化银照片(銀鉛写真)电子化后进行输入的方式来完成。该照片不一定要拍下建筑物的整体，只要至少包含其顶部即可。
作为步骤(b)，输入照片的摄影位置与建筑物的相对位置关系和摄影参数，所述摄影参数是使照片与从摄影位置观看建筑物时的实际景象吻合而所必需的。相对位置关系及摄影参数作为数据使用于在虚拟空间内再现摄影时的状态。因此，不必通过纬度、经度等绝对坐标来定义摄影位置，而通过建筑物之间的相对关系来进行定义就可以。当然，也可以用纬度、经度等绝对坐标来分别定义摄影位置、建筑物。
摄影参数可以使用可确定摄影时照相机所面对的方向以及照相机的视场角的各种参数。图3是照相机视场角的说明图。透镜L与摄像部分CCD之间的距离为焦距f。由该焦距，确定视场角，即摄像部分CCD可拍到的范围OBJ的宽度。因此，作为可确定视场角的参数，可以使用图中的视场角θ、焦距f等。
图4是照相机摄影方向的说明图。图中的X、Y、Z轴与虚拟空间中的轴对应。如果从微观来看，可以将纬度、经度看作直角坐标系，因而可以将X轴、Y轴与纬度、经度分别对应起来。对虚拟空间中的三个轴进行定义后，就可以通过偏转角(ヨ一角)α、仰角(ピツチ角)β、滚转角(ロ一ル角)γ来确定照相机的摄影方向。从而，可将这些角度用作确定摄影方向的参数。摄影方向，虽然可以通过其他的各种参数来确定，但是，当使用如图4所示的三组角度时，能够较容易地获得摄影时的参数值。
如上述输入摄影参数后，作为步骤(c)，在生成三维电子数据的虚拟空间内，基于相对位置关系定义建筑物的平面形状与摄影位置，同时将照片配置在根据摄影参数规定的位置上。建筑物的平面形状不必像图1及图2的例子所示那样用封闭图形完全确定。只要确定与拍摄在照片上的一面对应的部分的平面形状即可。因此，该平面形状也可以是线段或者折线。
作为步骤(d)，将平面形状向高度方向投影直到与照片一致，从而确定建筑物的高度方向的形状。所述投影可以通过操作员的操作进行，也可以自动进行。
根据本发明的三维建模方法，不用测量各个建筑物的高度，就可以有效地进行三维建模。而且，与仅从建筑物的层数来推测其高度等的模拟方法相比，还能够以更高的精度实现三维建模。
本发明的三维建模方法还有如下优点即，在一张照片中含有多个建筑物时，可以根据所述一张照片，对多个建筑物同时进行三维建模。由于摄影不必一定要在地面上进行，因而可以通过航空照相来比较容易地实现大范围的三维建模。
如上所述，在本发明的三维建模方法中使用的平面形状，不必一定要完全确定，但最好根据包含建筑物的二维平面地图来确定。通过使用高精度的平面形状，可以实现高精度的三维建模。
在本发明的三维建模方法中，步骤(c)在定义平面形状的同时，最好包含定义表示建筑物的大体形状的基础三维模型的步骤。建筑物，不仅只像大厦那样具有简单的形状，有时也具有比较复杂的形状，如一般房屋等。基础三维模型是将建筑物按大厦、一般房屋等形状进行分类，并定义了各自的大体形状的模型。在定义平面形状时，通过使用所述模型，定义包括高度方向的大体形状，由此能够以更高的精度、更少的劳动进行三维建模。
本发明的步骤(d)，即可以由操作者来进行，也可以通过计算机等自动进行。在后一种情况下，可以通过如下步骤来实现通过分析照片来确定建筑物棱线；在投影的过程中定量分析平面形状的边与棱线的重合状态；以及，根据重合状态为极大的投影确定高度。所称的极大表示不必一定要最大的意思。在所述自动分析中，常常由于各种噪声的影响而导致重合状态激烈变化，因而在重合状态的判定中，只要通过对所述噪声进行过滤等来确定实际为极大值的投影即可。
在本发明的三维建模方法中，最好反映出建筑物附近地表的高低。所述反映可通过表示建筑物附近地表高低的高低数据的输入、高低数据向建筑物附近地表面上的反映、考虑高低数据的形状确定来进行。例如可以按如下方法对高低数据加以考虑，即，在反映了高低数据的地表的上部确定建筑物的高度方向上的形状。由此，能够更精确地确定建筑物的高度。
在本发明的三维建模方法中，作为步骤(e)，还可以将照片的至少一部分作为材料(texture)粘贴在确定了高度方向的形状的建筑物模型的表面上。作为材料粘贴的照片，也可以是与确定高度的照片不同的另外准备的照片。无论那一种照片，通过将照片粘在表面上，可以较容易地提高模型的真实性。
如上述将照片用作材料时，最好分开处理重复呈现较类似的单位结构的重复区域和此外的单独区域。例如，在步骤(e)中，定义重复区域和单独区域，并可在重复区域上重复粘贴单位结构的材料而不管在照片中是否获得了实际结构。由此，可使重复区域中的材料的粘贴变得容易。而且，还可以提高材料的实用性。例如，实际上由于建筑物前面有树木及其他障碍物存在，因而经常发生无法拍摄到建筑物表面本身的照片的情况。如上所述，如果重复使用材料，则可将在重复区域中的任一部分得到的照片适用于整个重复区域中，从而可以比较容易地避开障碍物的影响。
本发明既可以构成单一建筑物的三维建模方法，也可以构成生成包含建筑物建模的三维电子地图数据的三维电子地图数据的生成方法。
此外，本发明也可以构成三维建模支持装置，所述支持装置支持建筑物的三维电子数据的生成。作为一个例子，本发明的三维建模支持装置可包括图像数据输入部分、摄影信息输入部分、虚拟空间显示部分、投影部分、模型显示部分。其中，图像数据输入部分、摄影信息输入部分分别进行照片以及平面形状、摄影参数的输入。虚拟空间显示部分在生成三维电子数据的虚拟空间中进行从摄影位置观看建筑物的方向的图像显示。投影部分在虚拟空间内基于摄影参数对照片进行投影。模型显示部分显示平面形状通过在高度方向投影平面形状来定义的建筑物的形状。通过使用具有所述结构的三维建模支持装置，可高效进行本发明的建模。
除如上述构成支持装置之外，本发明还可以构成自动生成建筑物的三维电子数据的三维建模装置。此时，本发明例如，除了在支持装置中说明的图像数据输入部分、摄影信息输入部分之外，只要还包括建模部分即可。建模部分，在虚拟空间内对平面形状与摄影位置进行定义，配置照片，并通过在高度方向投影平面形状直到与照片一致来确定建筑物的高度方向上的形状。
此外，本发明还可以构成数据收集装置，所述数据收集装置收集用于生成建筑物的三维电子数据的数据。数据收集装置可包括摄像部分、摄影参数获取部分、数据存储部分。摄像部分将建筑物的照片以电子数据获取。摄影参数获取部分获取摄影参数，所述摄影参数是使照片与从摄影位置观看建筑物时的实际景象吻合而所必要的。数据存储部分将电子数据、摄影参数和与摄影位置相关的数据联系起来存储。如果使用所述数据收集装置，则可一元化地收集本发明所需的信息。
数据收集装置也可以以固定照相机的三脚架等形式构成，但最好至少将一部分内置于数码相机中。尤其，最好将摄影参数获取部分内置于照相机中，以获得摄影时的该照相机的姿态和焦距。
本发明也可以构成计算机程序，所述计算机程序通过计算机用于实现上述三维建模方法、三维电子地图数据的生成方法、三维建模支持装置以及三维建模装置。此外，还可以构成记录这些程序的记录介质。另外，记录介质可以使用计算机可读的各种介质，如软盘、CD-ROM、磁光盘、IC卡、ROM盒(ROM cartridge)、穿孔卡片、印刷有条形码等符号的印刷物、计算机的内部存储装置(RAM或ROM等存储器)以及外部存储装置等。
图1是本发明三维建模的原理说明图。
图2是摄影图像与建筑物之间的关系说明图。
图3是照相机视场角的说明图。
图4是照相机摄影方向的说明图。
图5是实施例的电子地图数据生成系统100的结构说明图。
图6是自动建模部分120的结构说明图。
图7是手动建模部分130的结构说明图。
图8是材料生成部分140的结构说明图。
图9是建模用的数据收集装置的结构说明图。
图10是三维建模的工序图。
图11是虚拟空间前置处理的流程图。
图12是起伏附加意义的说明图。
图13是自动建模处理的流程图。
图14是重合状态的判定方法的说明图。
图15是手动建模处理的流程图。
图16是堆叠处理的方法说明图。
图17是材料生成处理的流程图。
图18是点部件设定例子的说明图。
图19是线部件设定例子的说明图。
具体实施例方式
将本发明的实施方式分成如下几项进行说明。
A.地图数据生成装置的结构A1.自动建模部分的结构A2.手动建模部分的结构A3.材料生成部分的结构B.用于建模的数据的收集装置C.建模C1.前置处理C2.自动建模处理C3.手动建模处理C4.材料生成处理C5.附加构造物的设定处理A.地图数据生成装置的结构图5是作为实施例的电子地图数据生成系统100(以下，简称为系统100)的结构说明图。该系统100进行建筑物的三维建模，并生成三维的电子地图数据。在本实施例中，通过在计算机内以软件形式构筑如图所示的功能块来构成系统100。在下面的例子中，虽然举例说明了由单个计算机构成系统的情况，但是，也可以采用利用网络连接主机与终端的结构。
在系统100中，各个功能块起如下作用。数据输入部分101从外部输入用于建模的数据。用于建模的数据是三维建模所必需的数据，其包含作为建模对象的建筑物的照片的电子数据、摄影位置以及摄影参数。在本实施例中，摄影参数使用表示摄影时照相机方向的偏转角α、仰角β、滚转角γ(参照图4)，以及表示视场角的焦距(参照图3)。这些数据可以通过磁光盘MO等介质输入，也可以通过网络等其他的通信方式输入。
基于输入的用于建模的数据，由下述各个功能块进行三维建模。前置处理部分110具有在系统100内设置用于三维建模的虚拟空间的功能。更具体地说，具有设置生成三维模型之前的地表面的功能。为实现所述功能，前置处理部分110参照标高数据库103以及二维地图数据库102。标高数据库103是提供将地表面划分成网状时的各点的高度的数据库。对于日本国内来说，例如可以使用国土地理院的50m网格值的数据。二维地图数据库102是平面上的已有的地图数据库。由此，可确定各个建筑物的平面形状。二维地图数据库102例如可以使用航空照片、卫星照片、住宅地图等数据。
自动建模部分120具有根据用于建模的数据自动生成三维模型的功能。虚拟空间中的建模情况通过虚拟空间显示部分104被显示在系统100的显示器上。自动建模的原理如图1、图2的说明。如下所述，在自动建模部分120中，备有利用所述原理自动建模的功能块。
手动建模部分130具有响应操作员的操作生成三维模型的功能。在本实施例中，其建模对象是无法自动充分进行建模的形状复杂的建筑物。虚拟空间部分104提供虚拟空间的显示，以使操作员在手动建模中可以参照。如下所述，在手动建模部分130中，备有用于支持手动建模的功能块。
材料生成部分140具有根据操作员的操作在建模的建筑物上粘贴材料的功能。在本实施例中，切割建筑物的照片作为材料。材料的粘贴也是参照根据虚拟显示部分104的显示而进行的。如后所述，在材料生成部分140中，备有支持材料粘贴的功能块。
附加构造物的设定部分150进行除建筑物以外在电子地图数据中必要的附加构造物的建模。附加构造物，例如包括树木、信号、栏杆等。附加构造物使用注册于部件数据库105中的模型来定义。
整合部分106具有将在上述的各个功能块中生成的数据联系起来整理为电子地图数据的格式的功能。同时还进行表示建筑物或地名的文字的设定、以及应在地图上表示的各种标号的设定等。整合部分106将这样整合的电子地图数据输出到地图数据库10中。电子地图数据也可以记录在DVD-ROM及其它的记录介质ME中。
A1.自动建模部分的结构图6是自动建模部分120的结构说明图。如上所述，自动建模部分120基于图1及图2的原理，利用如下所示的功能块，自动进行建筑物的三维建模。
图像边缘提取部分121从建筑物的照片提取出作为建模对象的建筑物的边缘、即棱线。边缘的提取例如可以基于建筑物各个面的色调差进行。
基础模型选择部分122从基础模型数据库123中选择用于建模的基础模型。图中同时例示了基础模型。基础模型包括大厦的模型MD1、一层房屋的模型MD2、两层房屋的模型MD3等。基础模型是如上表示建筑物的大体形状的模型。在本实施例中，按一定的顺序选择基础模型，直到在下述的匹配处理得到合适的结果为止。基础模型的选择也可以基于从二维地图数据库中得到的信息进行。
匹配部分124进行匹配处理、即改变基础模型的高度使其与配置于虚拟空间内的照片相符的处理。并且，根据图像边缘和基础模型之间的重合状态来判断是否相符。当即使改变基础模型的高度也不能使二者相符时，向基础模型选择部分122中传达该信息，并对其它的基础模型进行匹配。
网格生成部分125基于匹配的结果，生成建筑物的网格。A2.手动建模部分的结构图7是手动建模部分130的结构说明图。手动建模部分130利用如下所示的功能块，根据操作员的操作进行三维模型的生成。
上升形状选择部分(立ち上げ形状選択部)132根据操作员的指示选择上升形状。上升形状预先被定义在上升形状数据库133中。图中同时例示了上升形状。上升形状是在虚拟空间内通过将平面形状向高度方向移动而定义的模型形状。例如，可包括单纯垂直上升(单純垂直上げ)Rp1、点集约上升(点集約上げ)Rp2、线集约上升(線集約上げ)Rp3、缩放上升(拡大縮小上げ)Rp4、阶梯状上升(階段上げ)Rp5、圆顶状上升(ド一ム上げ)Rp6等。通过这样定义各种上升形状，从而可对应于各种建筑物的形状。
高度变更部分131基于选择的上升形状进行平面形状在高度方向上的移动。堆叠处理部分134进行所形成的模型之间的重合，以便进行更为复杂的建模。网格生成部分135基于根据高度变更部分131、堆叠处理部分134的处理结果，生成建筑物的网格。
A3.材料生成部分的结构图8是材料生成部分140的结构说明图。材料生成部分140利用如下所示的功能块，进行材料向建模后的建筑物上的粘贴。
重复结构设定部分141根据操作员的操作，定义对建筑物重复使用相同材料的重复区域和此外的单独区域。并且，配合该重复区域的设定来设置建筑物的网格。材料设定部分142设定向各区域粘贴的材料。在本实施例中，利用照片的一部分设定材料。材料修正部分143修正从照片切下的材料，从而使其与模型的表面相符。图中例示了修正例。图中的阴影线表示从照片上切下的材料。修正方法包括材料的形状修正、多个材料的结合或分离等。除此之外，也可以包括材料的颜色调整等。
材料粘贴部分144进行根据重复结构的定义设定的材料的粘贴。对于重复区域，设定的材料重复适用，在单独区域内单独适用。材料粘贴部分144将粘贴的结果作为材料数据库145存储。材料数据库145是与定义材料的代码以及将该材料定义为粘贴面的代码相对应的数据库。
B.用于建模的数据的收集装置图9是用于建模的数据的收集装置的结构说明图。用于建模的数据的收集装置由数码相机(DSC)20与数据记录装置27构成。数据记录装置27例如可以使用手提电脑等。
DSC20具备与建筑物的拍照同步地获取摄影参数的功能。在DSC20的主体上安装有GPS25。众所周知，GPS25是利用来自人造卫星的电波确定位置的装置。在本实施例中，与快门(shutter)21同步地获取纬度、经度、高度等信息。
在DSC20的主体上，一并还设有角度传感器24。角度传感器24与快门21同步，获取确定DSC20摄影时的方向的偏转角α、仰角β、滚转角γ。这些角度是绕图中示出的全球(global)坐标系的、X轴、Y轴、Z轴的旋转角度。
在DSC20的透镜22中设有焦距传感器23，所述焦距传感器23与快门21同步地获取摄影时的焦距。
在上述各传感器中得到的数据通过接口26被发送到数据记录装置27中。数据记录装置27将这些作为摄影数据库28保存。图中还示出了摄影数据库28的结构。在图中的例子中，将每张照片对应的编号“ZN00100”作为关键码，存储纬度“LAT1”、经度“LON1”、焦距“FC1”、摄影角度“α1、β1、γ1”的各个数值。与此同时还可以存储拍摄的照片数据以及其他的信息(comment)等。
在本实施例中，虽然示出了将各个传感器内置于DSC20中的情况，但是也可以是以与DSC20不同的个体具有各个传感器的装置。以不同的个体具有的结构，例如可以是在固定DSC20的三脚架等中组装各个传感器的结构。
C.三维建模图10是三维建模的工序图。这里，示出了对一个建筑物进行建模时的处理内容。在图5所示的系统100中，自动或者根据操作员的操作进行各个处理。
在三维建模中，首先，操作员向系统100中输入用于建模的数据(步骤S100)。用于建模的数据包含如图9所示的摄影参数以及照片。
接着，操作员基于所述数据进行建筑物的建模。建模按虚拟空间的前置处理(步骤S200)、自动建模(步骤S300)、手动建模(步骤S400)、生成材料(步骤S500)、附加构造物的设定(步骤S600)的顺序进行。系统100将这样生成的模型注册到地图数据中(步骤S700)，从而完成三维建模。下面，对各个处理进行说明。
C1.前置处理图11是虚拟空间的前置处理的流程图。该处理相当于前置处理部分110(参照图5)的功能。根据操作员的命令的输入开始该处理后，系统100输入作为建模对象的建筑物的二维形状、位置、以及建筑物附近的标高数据(步骤S201)。这里，建筑物的二维形状、位置虽然使用了二维地图数据，但是也可以使用航空照片，还可以使用摄影地点的记录等。在本实施例中，根据二维地图数据输入了完全封闭图形的建筑物的平面形状，但是也可以只输入照片所呈现的部分。例如，在照片中没有拍摄到背面的时候，就可以省略这些部分输入折线状的平面形状。即使在所述情况下，也可以分别生成正面的模型与背面的模型，并通过将它们结合起来，从而完成建筑物的三维建模。建筑物的位置既可以以纬度、经度等绝对坐标系来确定，也可以通过与摄影位置的相对关系来确定。在本实施例中，建筑物附近的标高数据使用了国土地理院的标高数据，但是并不局限于此。
下面，系统100定义作为无限空间的虚拟空间(步骤S202)。同时，如图所示，最好对从规定的视场角观看该无限空间时的情况进行显示。虚拟空间的三维图形显示可以使用公知的技术。可以任意设定进行三维图形显示时的视点位置，但是使其与摄影位置相一致时有利于后面的处理。
如上设定无限空间后，系统100根据在步骤S201中输入的数据，配置建筑物的二维形状(步骤S203)。在图中，粗线框表示建筑物的二维形状。
最后，系统100基于标高数据在无限平面中添加高低起伏(步骤S204)。此外，同时使建筑物的二维形状与添加了高低起伏的地表相适合，从而完成前置处理。
图12是附加起伏的意义说明图。该图示出了从侧面观看建筑物以及照相机时的状态。如图所示，建筑物附近以及摄影位置附近的地表面具有一定标高，即，地表面与水平面不一致。摄影时的照相机DSC的标高为ALTc，建筑物的标高为ALTb。
从前面的图1及图2示出的原理可知，在本实施例的建模方法中，不确定建筑物相对地表的高度，而是确定建筑物的顶部Tb的位置。并且，基于照相机DSC的摄影位置相对确定所述位置。因此，即使在虚拟空间内不考虑地表面起伏的情况下，也可以通过将照相机DSC的标高设定为ALTc，来高精度地确定建筑物顶部Tb的位置、即标高。然而，这样设定时，实际的地表面与水平面之间的部分(图中的阴影区域)也被括入建立建筑物模型的范围内。由于该模型的建筑物自身的高度与实际不同，因而不能说所述模型精确反映了现实。在本实施例中，预先在地表面上添加起伏，并在该表面上配置建筑物的二维形状，从而避开所述弊病。
在本实施例中，是在地表面上添加起伏后进行建筑物的建模的，但与其相反，也可以在进行建筑物的建模后，考虑标高从模型中去掉图中的阴影部分。此外，在摄影位置与建筑物之间的标高差比较小的时候，还可以省略附加起伏的处理。
C2.自动建模处理图13是自动建模处理的流程图。这相当于自动建模部分120(参照图5、图6)的功能。
在自动建模处理中，系统100在虚拟空间内配置建筑物的照片PIC。图中同时示出了配置照片的状态。原点O是设置于虚拟空间内的摄影位置。根据摄影参数来确定拍照时的视场角θ以及摄影方向。在图中用点划线表示基于摄影时的偏转角、仰角定义的摄影方向。照片在如下的约束条件下被配置于虚拟空间内即，照片垂直于该点划线；且照片的两端与视场角所示的范围一致。此外，可基于摄影时的滚转角在点划线的周围旋转照片，以使建筑物在虚拟空间内不倾斜。
在如上述完成照片的配置后，系统100进行图像边缘的提取(步骤S304)。图中同时还示出了提取图像边缘的状态。如图的左侧所示，建筑物的照片，根据光线的不同，以边缘部分为界，其每一面的色调也不相同。系统100根据产生所述色调差的部分提取建筑物的边缘。边缘的提取并不局限于所述处理方法，也可以使用各种方法。
在完成边缘的提取后，系统100进行基础模型的选择及匹配、即进行重合状态的判定(步骤S306)。基础模型是先前在图6中所示的各种大体形状。在本实施例中，选择基础模型并试着进行匹配，在得不到合适的匹配结果的时候，判断为基础模型的选择不合适，根据预先设定的顺序再选择下一个基础模型。
图14是重合状态的判定方法的说明图。在图的下方，示出了匹配顺序。图的左侧表示从作为对象的建筑物提取了边缘的模型。如右所示，系统100使基础模型的高度向P1、P2…多个阶段变化，判断提取的边缘与基础模型所包含的线段的重合状态。例如，关于高度P3，判断图中箭头所示的部分的重合状态。
重合状态的判断例如可以利用图上方所示的方法进行。首先，在实线所示的边缘L1的周围，以一定的宽度定义区域A1。同时，如虚线所示，也在基础模型侧的边L2的周围以一定的宽度定义区域A2。根据边缘L1与边L2之间的位置关系，在区域A1、A2中发生相一致的范围的重合(图中的阴影部分)。所述重合面积随着基础模型高度的变化而变化。例如，若使基础模型的高度逐渐变高，则如图左侧所示，重合部分的面积将先扩大、后减小。在图的中间通过图表表示所述变化的状态。一致率是与区域A1、A2的总和相对的重合部分的面积。如图所示，当逐渐增大基础模型的高度时，一致率逐渐增大，并在高度P6上达到极大值，然后渐渐减小。这样，系统100根据一致率的变化，判定在高度P6上基础模型与边缘是相匹配的。当然，也可以将高度P6附近分的更细，判断匹配状态。重合状态的判断并不局限于这里所示的例子，也可以使用各种方法。
这样，在匹配结束后，系统100根据其结果确定基础模型的高度，并生成作为对象的建筑物的网格(步骤S308)。
C3.手动建模处理图15手动建模处理的流程图。这相当于手动建模部分130(图5及图7)的功能。
根据操作员的命令输入开始进行处理后，系统100在虚拟空间内进行照片的配置(步骤S402)。照片配置的处理与自动建模处理(图13)的步骤S302相同。在虚拟空间内配置的照片被显示在系统100的显示器上。
操作员根据呈现于虚拟空间内的平面形状以及照片，进行上升形状的选择及匹配(步骤S404)。操作员观察建筑物的形状，从图7所示的例子中选择认为合适的上升形状。在操作员指定虚拟空间内的高度后，系统100生成呈所选上升形状的、且与指定高度对应的模型，显示在虚拟空间内。操作员进行匹配处理，即指定高度，使这样显示的模型与照片相一致。在该处理中，可以通过各种方法进行高度的指定，但是，从操作的简便性的角度来看，例如，最好在虚拟空间的显示画面中，通过操作鼠标等指向设备(pointing device)来进行指定。
手动建模进行自动建模无法进行的形状复杂的建模等。在形状复杂的建筑物中，有时仅用匹配处理不能充分进行建模。在手动建模中，为了对如此形状复杂的建筑物进行建模，进行堆叠处理(步骤S406)。图中示出了堆叠处理的概要。堆叠处理，例如是对如图所示的上层部分与下层部分的平面形状不相同的建筑物等进行建模的处理。对于所述建筑物来说，通过结合下层部分的模型与上层部分的模型来完成一个模型。堆叠处理意指上述的多个模型的结合处理。模型的结合不必局限于堆叠方向上，也可以是在水平方向上相邻接的模型的结合。
图16是堆叠处理的方法说明图。该图示出了在系统100的显示器DISP中显示的画面的例子。所述显示，在左侧进行虚拟空间的三维显示VL，在右侧进行平面显示VR。关于建筑物的照片，省略其图示。
对于图15所示的两层结构的建筑物，已给出其上层部分的平面形状OBJin和下层部分的平面形状OBJout。操作员将下层部分的平面形状OBJout向高度方向移动，从而如左侧所示，可生成下层部分的模型LE1。本实施例在此阶段，设定上层部分的平面形状OBJin不对下层部分的模型LE1产生影响。即，平面形状OBJin仅位于模型LE1的上面，模型LE1的形状不依赖于是否设定了平面形状OBJin。
接着，操作员可通过在高度方向移动上层部分的平面形状OBJin，来生成上层部分的模型LE2。在本实施例中，上层部分的模型LE2是从下层部分的模型LE1的上面向上形成的。通过这样分阶段地建模，可以实现由多层构成的建筑物的建模。本实施例中的堆叠处理仅为例示，堆叠处理也可以这样进行即，以抽掉上层部分的模型LE2存在的部分的状态来形成下层部分的模型LE1，然后从地表面向上形成上层部分的模型LE1，并将二者组合起来。此外，还可以以与实施例相同的形状来生成下层部分的模型LE2，并从地表面开始形成上层部分的模型LE1，然后使二者通过逻辑运算结合。
在图16的例子中，例示了已知下层部分及上层部分的平面形状的情况。在上层部分的平面形状OBJin为未知的情况下，在三维显示VL或者平面显示VR中，操作员可以定义平面形状。该定义既可以在下层部分的建模之前进行，也可以在进行下层部分的建模之后的上层部分的建模之前进行。
如上述完成建模以及堆叠处理后，系统100根据该结果确定基础模型的高度，并生成作为对象的建筑物的网格(步骤S408)。
C4.材料生成处理图17是材料生成处理的流程。这相当于材料生成部分140(参照图5及图8)的功能。
在材料生成处理中，操作员首先设定重复结构(步骤S502)。即，设定可重复使用相同材料的重复区域，和此外的单独区域。图中同时示出了重复结构的设定例子。加了阴影的部分为重复区域。在大厦等各层的结构类似的情况下，可以以各层为单位设定重复区域。重复区域以外的部分被定义为单独区域。
该处理中的重复区域是作为使用材料的单位定义的，因而重复区域不必一定要与建筑物的实际结构相对应。例如，如图的中间所示，也存在其正面由多层的重复结构构成，而其侧面由一面构成的建筑物。在所述建筑物中，可以对正面以各层为单位设定重复区域，而将侧面作为单独区域。
如上述完成重复结构的定义后，操作员进行材料的设定(步骤S504)。材料是基于建筑物的照片来生成的。虽然也可以使用与在三维建模中使用的照片相同的照片，但是在本实施例中，考虑到材料与模型的符合程度，使用建筑物正面的照片。在材料设定处理中，操作员将照片的一部分作为材料切下来，并进行修正，使其具有符合模型的表面的形状、色调等。所述修正还包括材料之间的结合、分离等。
如上述完成材料的设定后，系统100根据操作员的命令进行材料的粘贴处理(步骤S506)。图中示出了向重复区域内粘贴材料的状态。左侧为建筑物的照片，右侧为生成的模型。如图所示，可以通过将最上层的照片重复粘贴到各层上来完成模型。在建筑物的前面，经常有树木及其他障碍物，因此常常较难获得建筑物整体的材料。如果像本实施例那样定义重复区域，则可以利用如建筑物的最上层等拍摄效果最佳部分的材料，从而可以比较容易地在整个建筑物上粘贴材料。另外，图中的例子，示出了在一层部分的作为单独材料使用的区域内也粘贴了重复的材料的情况，但是单独材料也可以粘贴另外准备的材料。
C5.附加构造物的设定处理附加构造物的设定处理，相当于附加构造物设定部分150(参照图5)的功能，是与建筑物本身的建模不同的、定义建筑物周围的附加构造物的处理。在本实施例中，根据操作员的操作，配置预先准备好的附加构造物的模型。附加构造物根据其配置的指定方法分为点部件与线部件。
图18是点部件设定例子的说明图。点部件是可通过指定用于设置附加构造物的一点来配置模型的部件。小的点部件包括信号灯、街灯、电线杆子、邮筒、公共汽车站牌、电话亭、街道旁边的树、道路标识等。大的点部件包括如高压电线杆、移动电话的电波发射塔、加油站、便利店等连锁店铺等的统一化的形状。这些点部件不必一定要使用本实施例所示的建模方法来生成，而是可以使用一般的三维建模方法来生成。
图中示出了配置所述点部件的一例-信号灯时的显示画面。如上所述，在显示器DISP中，在左侧进行虚拟空间的三维显示VL，在右侧进行平面显示VR。在设定点部件时，在选择部件的种类的同时，如平面显示VR中的箭头所示，指定部件的设置点。与此相应，在三维显示VL中显示信号灯的模型Add1。在配置树木等的时候，还可以在三维显示VL中设定其高度。
图19是线部件设定例子的说明图。所谓线部件是指可通过指定用于设置附加构造物的线段范围来配置模型的部件。所述部件包括护栏、墙壁、围墙、人行横道斑马线等道路的各种白线、各种桥的形状、中央隔离带等。这些模型也可以用通常的三维建模方法来形成。线部件注册单位长度的单位模型，根据指定的范围，重复使用单位模型。
图中示出了配置所述线部件的一个例子-护栏时的显示画面。在二维显示VR中，如箭头所示，通过确定线段范围，即线段的起点、终点，在三维显示VL中显示护栏的模型Add2。
D.效果根据以上说明的本实施例的电子地图数据生成系统，不用测量建筑物的高度，就可以进行三维建模。因此，能够以较少的劳动、高精度地进行建筑物的建模。
在图10以后的处理中，说明了对单一建筑物的建模，但是在一张照片中摄有多个建筑物时，可以对这些建筑物同时进行建模。因此，可以更加有效地进行三维电子地图数据的生成。
在本实施例中，可以通过使用基于建筑物的照片的材料，进一步提高模型的真实性。此外，通过使用重复结构，可以简便、高效地适用这些材料。
E.变形例在本实施例中，举例说明了利用在地面上拍摄的照片的建模。如果摄影参数以及摄影位置是已知的，则照片并不局限于在地面上进行拍摄的。例如，也可以使用从倾斜方向拍摄建筑物而得到的航空照片。通过使用摄影位置以及摄影参数已知的航空照片，可以有效地进行大范围的三维建模。
在本实施例中，根据如图10所示的各个步骤进行建模，但也可以省略自动建模中手动建模中的任一个。此外，材料生成处理、附加构造物的设定处理是用于提高三维模型的真实性的处理，因此，也可以根据模型的用途省略。
以上，对本发明的各种实施例进行了说明，但本发明并不局限于这些实施例，可以在不脱离其宗旨的范围内采用各种结构。例如，以上的控制处理，除用软件实现之外，也可以用硬件来实现。
工业实用性本发明可用于生成建筑物的三维电子数据的三维建模技术、以及使用该建模方法生成三维电子地图数据的领域。
权利要求
1.一种三维建模方法，用于生成建筑物的三维电子数据，其中，该方法具有如下步骤(a)输入以电子数据表示的所述建筑物的照片；(b)输入该照片的摄影位置与建筑物之间的相对位置关系，和摄影参数，所述摄影参数是使所述照片与从该摄影位置观看该建筑物时的实际景象相吻合而所必需的；(c)在生成所述三维电子数据的虚拟空间内，基于所述相对位置关系定义所述建筑物的平面形状与所述摄影位置，同时将所述照片配置在根据所述摄影参数规定的位置上；(d)将所述平面形状向高度方向投影直至与所述照片一致，从而确定该建筑物的高度方向的形状。
2.如权利要求1所述的三维建模方法，其中，所述平面形状通过包含所述建筑物的二维平面地图来确定。
3.如权利要求1所述的三维建模方法，其中，所述步骤(c)在定义平面形状的同时，包括定义表示所述建筑物的大体形状的基础三维模型的步骤。
4.如权利要求1所述的三维建模方法，其中，所述步骤(d)包括如下步骤通过分析所述照片来确定所述建筑物的棱线；在所述投影的过程中，定量分析所述平面形状的边与所述棱线之间的重合状态；根据所述重合状态为极大的投影确定所述高度。
5.如权利要求1所述的三维建模方法，其中，在所述步骤(c)之前，具有输入表示所述建筑物附近地表的高低的高低数据的步骤，所述步骤(c)还包括在所述建筑物附近的地表上反映所述高低数据的步骤，所述步骤(d)在该地表的上部进行所述高度方向的形状确定。
6.如权利要求1所述的三维建模方法，其中，还具有如下步骤(e)将所述照片的至少一部分作为材料粘贴在通过所述步骤(d)确定了高度方向的形状的所述建筑物模型的表面上。
7.如权利要求6所述的三维建模方法，其中，所述步骤(e)具有如下步骤在所述构造物的表面上，定义适合重复使用类似的单位结构的重复区域和除该重复区域之外的单独区域；在该重复区域上，不管在所述照片中是否获得了实际的结构，都粘贴所述单位结构的材料。
8.一种三维电子地图数据的生成方法，用于生成包含建筑物的三维电子地图数据，其中，该方法具有如下步骤(a)输入以电子数据表示的所述建筑物的照片；(b)输入摄影位置数据和摄影参数，其中，所述摄影位置数据可在地图上确定拍摄了该照片的摄影位置，所述摄影参数用于确定进行该摄影时的照相机的朝向及视场角；(c)基于在步骤(a)、步骤(b)中得到的数据，在生成所述三维电子数据的虚拟空间内配置从平面地图得到的所述建筑物的平面形状、所述摄影位置及所述照片；(d)将所述平面形状向高度方向投影直到与所述照片一致，从而确定该建筑物的高度方向的形状。
9.一种三维建模支持装置，用于支持建筑物的三维电子数据的生成，其中，该装置具有图像数据输入部分，输入以电子数据表示的所述建筑物的照片及平面形状；摄影信息输入部分，输入该照片的摄影位置与该建筑物之间的相对位置关系，以及摄影参数，所述摄影参数是使所述照片与从该摄影位置观看该建筑物时的实际景象相吻合而所必需的；虚拟空间显示部分，在生成所述三维电子数据的虚拟空间内，以所述摄影位置为基准，基于所述相对位置关系配置所述平面形状，同时显示从该摄影位置观看该建筑物的方向的图像；投影部分，在所述虚拟空间内通过在根据所述摄影参数规定的位置上配置所述照片，从而在所述显示的图像内投影所述照片；模型显示部分，同时在所述显示的图像内显示通过将所述平面形状向高度方向投影而定义的所述建筑物的形状。
10.一种三维建模装置，用于生成建筑物的三维电子数据，其中，该装置具有图像数据输入部分，输入以电子数据表示的所述建筑物的照片以及平面形状；摄影信息输入部分，输入该照片的摄影位置与该建筑物之间的相对位置关系，以及摄影参数，所述摄影参数是使所述照片与从该摄影位置观看该建筑物时的实际景象相吻合而所必需的；建模部分，在生成所述三维电子数据的虚拟空间内，基于所述相对位置关系定义所述平面形状和所述摄影位置，在根据所述摄影参数规定的位置上配置所述照片，通过将所述平面形状向高度方向投影直到与所述照片一致来确定该建筑物的高度方向的形状。
11.如权利要求10所述的三维建模装置，其中，所述建模部分具有棱线分析部分，通过分析所述照片来确定所述建筑物的棱线；重合状态分析部分，在所述投影过程中，定量分析所述平面形状的边与所述棱线的重合状态，通过该重合状态为极大的投影来确定所述高度。
12.一种数据收集装置，用于收集为生成建筑物的三维电子数据而使用的数据，其中，该装置具有摄像部分，将所述建筑物的照片以电子数据获取；摄影参数获取部分，获取摄影参数，所述摄影参数是使所述照片与从该照片的摄影位置观看该建筑物时的实际景象相吻合而所必需的；数据存储部分，将所述电子数据以及摄影参数和与所述摄影位置相关的数据联系起来存储。
13.如权利要求12所述的数据收集装置，其中，所述摄像部分是数码照相机，所述摄影参数获取部分内置于该照相机中，获取所述摄影时的该照相机的姿态及焦距。
14.一种记录介质，计算机可读取地记录有用于使用计算机来生成包含建筑物的三维电子地图数据的计算机程序，其中，所述计算机程序在计算机中实现如下功能输入以电子数据表示的所述建筑物的照片以及平面形状；输入摄影位置数据和摄影参数，其中，所述摄影位置数据可在地图上确定拍摄了该照片的摄影位置，所述摄影参数用于确定进行该摄影时的照相机的朝向及视场角；基于所述输入的数据，在生成所述三维电子数据的虚拟空间内配置所述建筑物的平面形状、所述摄影位置、所述照片；通过将所述平面形状向高度方向投影直到与所述照片一致，从而确定该建筑物的高度方向的形状。
15.一种记录介质，计算机可读取地记录有用于使用计算机来支持建筑物的三维电子数据的生成的计算机程序，其中，所述计算机程序在计算机中实现如下功能输入以电子数据表示的所述建筑物的照片以及平面形状；输入该照片的摄影位置与该建筑物之间的相对位置关系，以及摄影参数，所述摄影参数是使所述照片与从该摄影位置观看该建筑物时的实际景象相吻合而所必需的；在生成所述三维电子数据的虚拟空间内，以所述摄影位置为基准，基于所述相对位置关系配置所述平面形状，同时显示从该摄影位置观看该建筑物的方向的图像；在所述虚拟空间内通过在根据所述摄影参数规定的位置上配置所述照片，从而在所述显示的图像内投影所述照片；同时在所述显示的图像内显示通过将所述平面形状向高度方向投影而定义的所述建筑物的形状。
全文摘要
在生成三维电子地图数据时，通过如下方法，不用测量建筑物的高度就可以进行建筑物的三维建模。首先，拍摄建筑物，记录其摄影位置及摄影参数(照相机的方向、视场角)。其次，基于这些数据，在计算机中的已预备好的虚拟空间内配置照片，以再现摄影时的状态。同时，基于二维地图数据配置建筑物的平面形状。再次，将平面形状向高度方向移动直到与照片重合，从而进行建筑物的建模。由此，可以在不测量高度的情况下实现建筑物的三维建模。
文档编号G01C21/26GK1539120SQ0281214
公开日2004年10月20日 申请日期2002年6月19日 优先权日2001年6月20日
发明者岸川喜代成 申请人:善邻股份有限公司