专利名称：一种交互式三维城市全景地图的自动生成方法
技术领域：
本发明涉及一种交互式三维城市全景地图的自动生成方法，属于空间信息技术领域。
背景技术：
三维虚拟地理环境在空间位置服务和科学研究等领域具有巨大的应用价值。三维电子导航地图与二维电子导航地图相比，前者对用户来说更加直观、判读轻松、可识别性强，也提供给了第一人称视角。但目前三维电子地图多为透视投影，这种投影是基于对人眼和相机对客观世界的观察模式而设计的，它能真实的在三维空间环境中反映客观世界的形态，缺陷在于，该投影会导致城市中的景观相互遮挡，如用户感兴趣特征(如道路、建筑、湖泊与标注等)常被更靠近视点的物体遮挡，这种遮挡在建筑密集的城市中尤为普遍。
尽管目前有很多方法在一定程度上解决了感兴趣特征被遮挡带来的判读困难，但是仍无法很好的达到三维城市导航地图可读性等问题。例如，在三维电子地图中嵌入二维电子导航图，能够在一定程度上弥补被遮挡的感兴趣区域的信息，但会使用户在三维场景漫游时，同时判读二维电子地图，增加了用户负担，并占用了有限的屏幕空间。再如，基于导航语音提示可以令用户预知被遮挡特征的信息，但目前导航信息难以提供复杂情况下的空间信息。为了避免三维城市电子导航地图中感兴趣特征被遮挡，本发明实现了交互式三维城市全景地图的自动生成方法，在保证交互速率的前提下保证感兴趣特征的可见性，同时尽可能减少了对场景的形变，以保持与原透视投影下城市外观的相似度，使用户更加方便、准确的了解其当前位置、周边环境以及感兴趣区域位置等地理信息，将更多的精力投入到路径查找、驾驶或旅行决策等任务中去。本发明在城市导航、空间位置服务等方面具有广阔的应用前景。
发明内容
I、目的三维城市电子地图中感兴趣特征常被遮挡，无法满足车辆导航的需要，而传统遮挡剔除的方法会对场景造成较大形变。本发明的目的是基于城市形态和格式塔理论，实现了多种遮挡消除策略的能量最小化方法，提供一种交互式三维城市全景地图的自动生成方法，保证感兴趣特征的可见性，避免视点或场景的改变，满足城市导航以及基于空间位置服务等方面的需求。2、技术方案一种交互式三维城市全景地图的自动生成方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一基于ε距离邻域和骨架规则识别街区内建筑空间分布模式所要构建DT图的结点为建筑足迹(footprint)多边形的重心，结点之间的距离为建筑足迹多边形间的最小距离；先构造结点的Delaunay三角网，从Delaunay三角网内筛选连接边，建立结点的最小生成树MST ;下一步,基于ε距离邻域规则,从Delaunay三角网内选择距离小于阈值ε，且满足β < I时，把β-骨架规则的非MST边加入子图中，得到满足ε距离邻域条件的DT子图；对于DT子图中度为I的结点，在Delaunay三角网中寻找其满足β < I时，β_骨架规则最短的非MST边，并将该边加入子图中；步骤二 提取城市建筑格式塔聚类设定合理的阈值以找出潜在的格式塔聚类，进而用经训练的支持向量机分类器加以判别；整个建筑的格式塔聚类提取分为2步(1)确定潜在的建筑格式塔聚类，(2)提取具有格式塔特征的建筑；步骤三基于光线跟踪的城市感兴趣特征可见性计算利用光线跟踪实现城区道路可见性判断。将一条光线和与其相交的遮挡物作为一个遮挡对。每个遮挡对记录有光线、遮挡物及光线击中点参照于遮挡物重心的相对坐标。对于光线与建筑的相交测试，先判断光线在二维上是否相交，快速排除不相交的建筑，再在三维上判断光线是否与建筑的各个面相交。如有交点，则建筑为遮挡物，取距离参考点最近的交点为击中点，否则建筑不造成遮挡；采用动态的KD树结构加快二维平面上光线跟踪。步骤四建立城市全景图的约束条件和能量项(I)建立城市全景图的能量函数偏离项为了保证格式塔聚类的共同命运特征，建立街区内格式塔聚类位移约束。对道路形状、道路与建筑冲突进行约束，以保证街区与道路的相对位置，此外，约束了建筑高度与视点高度，最后针对漫游时出现的视图抖动与闪烁现象，建立时空一致性约束。(2)建立城市全景图能量函数的遮挡项定义X为包含建筑重心与道路条带顶点的二维位置的向量，h为建筑高度向量。对于一个遮挡对{py ，参考点h的可见性表示为X的函数。设造成遮挡的建筑Bi高度为hj，足迹重心为V/，则视线在建筑上的击中点为
权利要求
1.一种交互式三维城市全景地图的自动生成方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一基于ε距离邻域和β_骨架规则识别街区内建筑空间分布模式 所要构建DT图的结点为建筑足迹(footprint)多边形的重心，结点之间的距离为建筑足迹多边形间的最小距离；先构造结点的Delaunay三角网，从Delaunay三角网内筛选连接边，建立结点的最小生成树MST ;下一步,基于ε距离邻域规则,在Delaunay三角网内选择距离小于阈值ε，且满足β < I时，把骨架规则的非MST边加入子图中，得到满足ε距离邻域条件的DT子图；对于DT子图中度为I的结点，在Delaunay三角网中寻找其满足β < I时，骨架规则最短的非MST边，并将该边加入子图中； 步骤二 提取城市建筑格式塔聚类 设定合理的阈值以找出潜在的格式塔聚类，进而用经训练的支持向量机分类器加以判别；整个建筑的格式塔聚类提取分为2步(I)确定潜在的建筑格式塔聚类，(2)提取具有格式塔特征的建筑； 步骤三基于光线跟踪的城市感兴趣特征可见性计算 利用光线跟踪实现城区道路可见性判断，将一条光线和与其相交的遮挡物作为一个遮挡对；每个遮挡对记录有光线、遮挡物及光线击中点参照于遮挡物重心的相对坐标；对于光线与建筑的相交测试，先判断光线在二维上是否相交，快速排除不相交的建筑，再在三维上判断光线是否与建筑的各个面相交；如有交点，则建筑为遮挡物，取距离参考点最近的交点为击中点，否则建筑不造成遮挡；采用动态的KD树结构加快二维平面上光线跟踪； 步骤四建立城市全景图的约束条件和能量项 (1)建立城市全景图的能量函数偏离项 为了保证格式塔聚类的共同命运特征，建立街区内格式塔聚类位移约束；对道路形状、道路与建筑冲突进行约束，以保证街区与道路的相对位置，此外，约束建筑高度与视点高度，最后针对漫游时出现的视图抖动与闪烁现象，建立时空一致性约束； (2)建立城市全景图能量函数的遮挡项 定义X为包含建筑重心与道路条带顶点的二维位置的向量，h为建筑高度向量。对于一个遮挡对{Pi，BjI，参考点Pi的可见性表示为X的函数；设造成遮挡的建筑Bi高度为hp足迹重心为<，与其相邻的道路线段为V' i(|V' (i+1)tl，则视线在建筑上的击中点为P , Ix)== v , +、,,《,丨，1{1 ,1 }为口1^、4之间的向量,且口1由其相邻道路顶点表示Pi = (I-S)vi(/ +sv(i+1)0/ ,0 < s < I,有可见性函数的二次形式
全文摘要
本发明涉及一种交互式三维城市全景地图的自动生成方法。该方法基于城市形态及格式塔理论，通过建立估计城市空间认知的能量函数偏离项和遮挡项，把道路扩宽、视点提高、建筑位移和建筑高度降低等手段与优化方法结合，利用线性化约束条件的能量函数，实时求解最小化能量函数，从而实现了交互式三维数字城市全景地图的自动生成。该方法提供了一种可视化速度快、城市场景变形小的三维数字城市全景地图的制作方法，在城市导航、空间位置服务等方面具有广阔的应用前景。
文档编号G06T17/00GK102663957SQ20121005880
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者张立强, 张良, 邓浩 申请人:北京师范大学