專利名稱:一種三維物體的顯示方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種三維物體的顯示方法,屬于計(jì)算機(jī)圖像、圖形處理領(lǐng)域。
背景技術(shù):
作為利用電子計(jì)算機(jī)向用戶展現(xiàn)三維空間的技術(shù),其向使用者提供了更加真實(shí)的 立體感、空間感。相對(duì)于普通的二維展現(xiàn)技術(shù),三維圖像夠向用戶呈現(xiàn)三維空間的細(xì)節(jié)狀 況,不僅僅限于一個(gè)平面,而是在“四面八方”都提供了展示細(xì)節(jié),使用戶具有身臨其境的感 覺(jué)。具體而言,三維建模技術(shù)是在特定的視覺(jué)下展現(xiàn)的空間結(jié)構(gòu),能展示真實(shí)世界的全貌。 可以使讀者能夠動(dòng)態(tài)地、全方位地、直觀地觀察整個(gè)真實(shí)世界。在最近的一些應(yīng)用中,對(duì)于 城市道路的考察和現(xiàn)實(shí)逐漸被大家所關(guān)注,一些用于呈現(xiàn)三維城市道路的方法相繼被提出 和實(shí)現(xiàn),然而這些方法都是基于一些特定的應(yīng)用環(huán)境而產(chǎn)生的,算法太過(guò)于復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)過(guò)程 也需要引入大量的計(jì)算資源。事實(shí)上,在一些應(yīng)用要求不高的三維城市道路的顯示中,完全 可以忽略三維空間中的一些實(shí)體,例如在模擬駕駛時(shí),僅僅需要關(guān)注道路的延伸方向、以及 道路兩邊的房屋等建筑物,而可以不考慮居民小區(qū)內(nèi)部的細(xì)節(jié)。此時(shí)仍然采用傳統(tǒng)的方法 來(lái)建立三維空間模型顯得完全沒(méi)有必要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于以一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)提供一種三維物體的顯示方法,通過(guò)建立三維 城市道路模型,并基于該三維城市道路模型來(lái)提供適合于一些應(yīng)用要求較低的重點(diǎn)在于道 路連通性的場(chǎng)景的應(yīng)用。本發(fā)提供一種三維物體的顯示方法,包括以下步驟(5)獲取指定空間的二維俯視圖;(6)在二維俯視圖上標(biāo)注感興趣對(duì)象的輪廓線(7)基于所述感興趣對(duì)象的輪廓線建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)(8)利用所述三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)顯示所述指定空間。進(jìn)一步,所述指定空間為城市空間,所述感興趣對(duì)象為城市空間中的道路,所述步 驟(1)包括首先對(duì)城市進(jìn)行航拍,獲取城市空間的不同區(qū)域的俯視圖,對(duì)所述不同區(qū)域的 俯視圖進(jìn)行拼接、融合而得到一張整體的城市空間的二維俯視圖。更進(jìn)一步,上述步驟(2)包括,在城市空間的二維俯視圖中標(biāo)記出所有道路的輪 廓線,所述輪廓線反映了道路的邊界,每條道路的輪廓線由兩條不相交的曲線組成,構(gòu)成一 個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)狀的道路圖。更進(jìn)一步,上述步驟(3)包括,建立指定空間的外包盒,該外包盒能夠包納所述指 定空間,將所述指定空間的外包盒劃分為多個(gè)立方體網(wǎng)格,所述立方體網(wǎng)格是在三維空間 中最小的顯示單位,所述網(wǎng)格具有用于標(biāo)記該網(wǎng)格是否為道路邊界標(biāo)記,該標(biāo)記的默認(rèn)值 為0;將所述輪廓線映射到指定空間的外包盒的底面上,如果輪廓線落在所述底面的某一網(wǎng)格中,則將該網(wǎng)格的道路邊界標(biāo)記設(shè)為1 ;映射完成后,將所有道路邊界標(biāo)記為1的網(wǎng)格連接起來(lái),在指定空間的外包盒的 底面上也得到一個(gè)連通的道路區(qū)域,以及多個(gè)非連通區(qū)域;將指定空間的外包盒的底面上的輪廓線進(jìn)行空間上的擴(kuò)展,包括,從指定空間的 外包盒的頂面向底面做投影,凡投影落在輪廓線上的所有網(wǎng)格的道路邊界標(biāo)記都標(biāo)記為1, 以獲得一個(gè)在指定空間的外包盒中一個(gè)連通的道路空間,以及多個(gè)非連通空間。在城市空間的外包盒中,將城市空間的外包盒的非道路的空間上填充實(shí)體對(duì)象, 所述實(shí)體對(duì)象為網(wǎng)格的集合,所述網(wǎng)格進(jìn)一步包括位置屬性,用于表示該網(wǎng)格在城市空間 的外包盒中的位置信息以及顏色屬性,所述顏色屬性包括透明色,以及其他的顏色,對(duì)于道 路區(qū)域,將位于該道路區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置為透明色,而對(duì)于非道路區(qū)域,將其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格設(shè)置 為其他的顏色,例如黑色、藍(lán)色等,每個(gè)網(wǎng)格可以具有不同的顏色,通過(guò)網(wǎng)格顏色的組合可 以呈現(xiàn)出特定的圖案。為上述所有的網(wǎng)格建立一網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)庫(kù),在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)每個(gè)網(wǎng)格的道路邊界 標(biāo)記、位置屬性、顏色屬性等。所述步驟(4)包括,首先呈現(xiàn)出城市空間的外包盒、然后通過(guò)查找網(wǎng)格信息數(shù)據(jù) 庫(kù),將城市空間的外包盒中的每個(gè)設(shè)置上相應(yīng)的屬性,從而實(shí)現(xiàn)了城市道路的三維顯示。
圖1是本發(fā)明中在二維俯視圖上標(biāo)注感興趣對(duì)象的輪廓線的示意圖;圖2是本發(fā)明中在指定空間的劃分網(wǎng)格后的底面示意3是本發(fā)明中道路邊界標(biāo)記為1的網(wǎng)格的示意圖;圖4是本發(fā)明中三維空間的頂面到底面的關(guān)于連通空間與非連通空間的俯視圖;
具體實(shí)施例方式結(jié)合上述附圖,本部分內(nèi)容進(jìn)一步詳細(xì)敘述本發(fā)明所提出的三維物體的顯示方 法,該方法包括步驟1 獲取指定空間的二維俯視圖。在一個(gè)應(yīng)用中,所述指定空間為城市空間, 所述感興趣對(duì)象為城市空間中的道路。在該應(yīng)用中,首先對(duì)城市進(jìn)行航拍,拍攝城市面貌的 俯視圖,優(yōu)選地,以鏡頭方向與地面垂直的方向拍攝城市面貌的俯視圖?,F(xiàn)實(shí)中不可能在一 張二維照片中照下整個(gè)城市的面貌的同時(shí)能夠很好地呈現(xiàn)城市的道路的細(xì)節(jié),因此需要在 不同位置拍攝一定數(shù)量的照片,這個(gè)數(shù)量可能是一千張或者更多,拍攝的照片數(shù)量越多,則 獲取的細(xì)節(jié)也越多??梢愿鶕?jù)對(duì)城市道路的在照片中所顯示的精細(xì)程度來(lái)確定航拍的高度,例如, 相機(jī)的分辨率為NxN像素,道路的最低寬度占m(m < η)像素,即意味著照片中一條道路 的寬度至少要占據(jù)m個(gè)像素,如果低于這個(gè)值,則該道路無(wú)法辨認(rèn),很顯然的例子是,在 1024x1024的圖像中要辨認(rèn)或者識(shí)別一條寬度僅僅為1個(gè)像素的道路是不可能的。在城市 道路的寬度最低為a米,那么在NxN大小的圖像中所呈現(xiàn)的實(shí)際范圍不能超過(guò)axN/m,照相 機(jī)的廣角為r,則拍攝高度為h= (a*N/m)/(2*tan(r/2))。一個(gè)示意性的例子,照片分辨率 為1024x1024,最低可分辨的道路寬度為16像素,而要在三維道路中展示最低寬度為3米的道路,則該1024x1024大小的照片所呈現(xiàn)的實(shí)際范圍不能夠超過(guò)192x192平方米,如果照相 機(jī)廣角為90°,則拍攝高度不能超過(guò)192/2 = 96米。該例子只是示意性的說(shuō)明,用來(lái)說(shuō)明 航拍高度的范圍,不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定,其與實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的實(shí)際情況可能相 距甚遠(yuǎn)。在城市上方的不同位置拍攝一定數(shù)量的俯視照片(也可以稱為投影照片),照片 的數(shù)量視城市的規(guī)模而定,例如一張照片能夠呈現(xiàn)1平方公里(1公里*1公里)大小的區(qū) 域,而城市大小為100公里*100公里,則為了獲得整個(gè)城市的俯視照片,所拍攝照片的數(shù)量 不能少于1萬(wàn)張。而后將所獲得的所有照片進(jìn)行拼接、融合而得到一張整體的城市道路照片,顯而 易見(jiàn)的是,該照片的尺寸也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單張照片的尺寸。沿用上面的例子,經(jīng)過(guò)拼接和融合可 以得到一張能夠展示100公里*100公里范圍的照片。因?yàn)楦髡掌写嬖诖罅快o態(tài)的特征 區(qū)域,例如建筑物、道路等,可以采用本領(lǐng)域常用的一些算法,如基于特征(例如道路特征、 建筑物特征)的匹配、融合,其方法是在一幅照片中選取一些特征區(qū)域,而在其他的照片中 查找到具有該特征區(qū)域的照片,進(jìn)而將這兩幅照片進(jìn)行融合。在另一種可選的實(shí)施方式中, 可以人工選擇兩張具有相同地理特征的照片進(jìn)行融合。步驟2 在二維俯視圖上標(biāo)注感興趣對(duì)象的輪廓線。得到融合的能夠呈現(xiàn)整個(gè)城市的俯視圖像后,識(shí)別出俯視圖像中的所有道路。一 種實(shí)施方式是,在整個(gè)城市的俯視圖像中標(biāo)記出所有道路的輪廓線,輪廓線反映了道路的 邊界,每條道路的輪廓線由兩條不相交的曲線組成,如圖1所示,標(biāo)記輪廓線時(shí)保持各輪廓 線不互相阻斷,這樣標(biāo)記出的輪廓線構(gòu)成一個(gè)連通的區(qū)域,更形象地說(shuō),構(gòu)成一個(gè)連通的網(wǎng) 絡(luò)狀的道路圖,如附圖1中虛線部分表示的區(qū)域。另一種方式是采用模式識(shí)別算法來(lái)自動(dòng)識(shí)別道路的輪廓線,可以基于道路的顏色 來(lái)識(shí)別,因?yàn)榈缆吠ǔ6际腔疑?,為了獲得更好的效果,還可以進(jìn)一步結(jié)合道路的形狀特 征來(lái)識(shí)別。建立城市空間的外包盒,該外包盒能夠包納整個(gè)城市空間,該外包盒優(yōu)選為一長(zhǎng) 方體結(jié)構(gòu),其也可以為圓柱、菱柱等幾何結(jié)構(gòu)。以長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)為例,將城市空間的外包盒劃分為多個(gè)立方體網(wǎng)格(以下簡(jiǎn)稱網(wǎng) 格),如圖2所示,附圖2示出了城市空間的外包盒底面的網(wǎng)格劃分情況,網(wǎng)格的數(shù)量可以 視情況而定,網(wǎng)格的大小反映出在三維空間中最小的顯示單位的大小,網(wǎng)格數(shù)量越多,則顯 示的細(xì)節(jié)越多;在更具體的實(shí)施方式中,每個(gè)立方體網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為L(zhǎng),L小于等于閾值TH,閾 值TH反映了對(duì)城市空間的外包盒的細(xì)分程度,當(dāng)L大于該閾值時(shí),一條道路的寬度可能只 占據(jù)很少的網(wǎng)格數(shù),此時(shí)將無(wú)法“清晰”地顯示道路的細(xì)節(jié)。每個(gè)網(wǎng)格至少具有一屬性,用 于標(biāo)記該網(wǎng)格是否為道路邊界標(biāo)記,該標(biāo)記的默認(rèn)值為0。將道路的輪廓線映射到城市空間的外包盒的底面上,設(shè)城市的俯視圖像的尺寸為 (a,b),而城市空間的外包盒的底面得尺寸為(x,y),則建立線性函數(shù)Θ :(a,b)-> (x,y); 使得a/x = tl,b/y = t2,tl和t2分別為橫向和縱向的映射比例。在上述映射過(guò)程中,也 將輪廓線映射到城市空間的外包盒的底面上,如果輪廓線落在某一網(wǎng)格中,則將該網(wǎng)格的 道路邊界標(biāo)記設(shè)為1。映射完成后,將所有道路邊界標(biāo)記為1的網(wǎng)格連接起來(lái),如此,可以在 城市空間的外包盒的底面上也得到一個(gè)連通的道路區(qū)域,和一個(gè)非道路的連通區(qū)域(如圖C)。如圖3所示,圖中灰色方塊表示底面上道路邊界標(biāo)記為1的網(wǎng)格。在另一個(gè)可選的實(shí)施方式中,在整個(gè)城市的俯視圖像中剔除不感興趣的區(qū)域。在 三維道路中,不可能展示所有與實(shí)際情況一樣的情景,比如在模擬駕駛中,只需要關(guān)注道路 寬度大于3米或者5米的道路,這種情況下,小于這個(gè)寬度的道路就成為非感興趣的對(duì)象 了,即不需要將其作為實(shí)體對(duì)象呈現(xiàn)在三維道路圖中。另外,一些大片的沒(méi)有城市道路(雖 然有道路,但是這些道路并不屬于城市道路的范疇)的居民小區(qū)也屬于不感興趣的區(qū)域, 可以將其刪除掉,以節(jié)省一些不必要的識(shí)別和繪制過(guò)程中的計(jì)算量。對(duì)上述城市空間的外包盒的底面上的輪廓線進(jìn)行空間上的擴(kuò)展,即從城市空間的 外包盒的頂面向底面做投影,凡投影落在輪廓線上的所有網(wǎng)格的道路邊界標(biāo)記都標(biāo)記為1, 附圖4示出了所述城市空間的外包盒的頂面到底面的俯視圖,如此可以獲得一個(gè)在城市空 間的外包盒空間中一個(gè)連通的道路空間(如圖4中的“連通空間”),和多個(gè)非道路的空間 (如圖4中的“非連通空間1”、“非連通空間2”、“非連通空間3”、“非連通空間4”、“非連通 空間5”。在城市空間的外包盒中,將城市空間的外包盒的非道路的空間上填充實(shí)體對(duì)象, 這些實(shí)體對(duì)象可以是房屋等建筑物。為了簡(jiǎn)便,可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先定義一些最基本的實(shí) 體結(jié)構(gòu),例如圓柱,圓錐,三菱錐,長(zhǎng)方體、立方體等,并在數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先定義集中最基本的 紋理圖案,例如道路、房子、草坪等紋理圖案,以在顯示時(shí)為上述實(shí)體結(jié)構(gòu)添加紋理。為了方便城市空間的外包盒中各實(shí)體、道路在數(shù)據(jù)庫(kù)中的組織以及三維顯示,定 義以下城市空間的外包盒坐標(biāo)系城市空間的外包盒的底面中心為原點(diǎn),底面為χ-y平面, 底面指向頂面的方向?yàn)棣戚S的直角坐標(biāo)系,該坐標(biāo)系中的最小單位為一個(gè)網(wǎng)格(雖然稱作 網(wǎng)格,但應(yīng)當(dāng)理解,在三維空間中,該網(wǎng)格具有空間結(jié)構(gòu),例如一個(gè)立方體)的尺寸大小,上 述圓柱,圓錐,三菱錐等實(shí)體結(jié)構(gòu)可以由多個(gè)網(wǎng)格堆積而成,也就是說(shuō)上述每一個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu) 實(shí)際上為一個(gè)網(wǎng)格的集合,因此,在非道路的連通區(qū)域中設(shè)置實(shí)體結(jié)構(gòu)時(shí),實(shí)際上是在非道 路的連通區(qū)域中設(shè)置能夠呈現(xiàn)實(shí)體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格集合。進(jìn)一步為每個(gè)網(wǎng)格設(shè)置位置屬性,用 于表示該網(wǎng)格在城市空間的外包盒中的位置信息(例如坐標(biāo))。更進(jìn)一步,為所述網(wǎng)格設(shè)置顏色信息,顏色信息包括透明色,以及其他的顏色,對(duì) 于道路區(qū)域,將位于該道路區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置為透明色,而對(duì)于非道路區(qū)域,將其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格 設(shè)置為其他的顏色,例如黑色、藍(lán)色等,每個(gè)網(wǎng)格可以具有不同的顏色,通過(guò)網(wǎng)格顏色的組 合可以呈現(xiàn)出特定的圖案。步驟3 基于所述感興趣對(duì)象的輪廓線建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。為上述所有的網(wǎng)格建立一網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)庫(kù),在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)每個(gè)網(wǎng)格的道路邊界 標(biāo)記、位置屬性、顏色屬性等。步驟4 利用所述三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)顯示所述指定空間。在三維顯示時(shí),首先呈現(xiàn)出城市空間的外包盒、然后通過(guò)查找網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)庫(kù),將 城市空間的外包盒中的每個(gè)設(shè)置上相應(yīng)的屬性,從而實(shí)現(xiàn)了城市道路的三維顯示。上述三 維顯示技術(shù)不是本發(fā)明所要重點(diǎn)突出的,可以利用已知的OPENGL,VTK等可視化顯示工具 來(lái)實(shí)現(xiàn),也可以使用其他的三維軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),例如3DmaX等等。上述事實(shí)方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的宗旨進(jìn)行了一個(gè)最基本的說(shuō)明,對(duì)于一些高級(jí)的 應(yīng)用,本發(fā)明也是完全可以實(shí)現(xiàn)的。例如對(duì)于立交橋的展示,可以進(jìn)一步設(shè)置底面投影方向上的網(wǎng)格的道路邊界標(biāo)記、顏色屬性即可呈現(xiàn)出立交橋的空間示意。 本發(fā)明提出的城市道路三維顯示技術(shù)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,計(jì)算簡(jiǎn)單,能夠滿
足于較低層次的應(yīng)用,例如對(duì)于城市道路的連通性的考察與展示。
權(quán)利要求
一種三維物體的顯示方法,包括以下步驟(1)獲取指定空間的二維俯視圖;(2)在二維俯視圖上標(biāo)注感興趣對(duì)象的輪廓線(3)基于所述感興趣對(duì)象的輪廓線建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)(4)利用所述三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)顯示所述指定空間。
2.如權(quán)利要求1所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述指定空間為城市空間,所述感興趣對(duì)象為城市空間中的道路。
3.如權(quán)利要求2所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述步驟(1)包括首先對(duì)城市進(jìn)行航拍,獲取城市空間的不同區(qū)域的俯視圖,對(duì)所述 不同區(qū)域的俯視圖進(jìn)行拼接、融合而得到一張整體的城市空間的二維俯視圖。
4.如權(quán)利要求3所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述步驟(2)包括在城市空間的二維俯視圖中標(biāo)記出所有道路的輪廓線,所述輪廓 線反映了道路的邊界,每條道路的輪廓線由兩條不相交的曲線組成,構(gòu)成一個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò) 狀的道路圖。
5.如權(quán)利要求4所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述步驟(3)包括,建立指定空間的外包盒,該外包盒能夠包納所述指定空間,將所述 指定空間的外包盒劃分為多個(gè)立方體網(wǎng)格,所述立方體網(wǎng)格是在三維空間中最小的顯示單 位,所述網(wǎng)格具有用于標(biāo)記該網(wǎng)格是否為道路邊界標(biāo)記,該標(biāo)記的默認(rèn)值為0 ;將所述輪廓線映射到指定空間的外包盒的底面上,如果輪廓線落在所述底面的某一網(wǎng) 格中,則將該網(wǎng)格的道路邊界標(biāo)記設(shè)為1 ;映射完成后,將所有道路邊界標(biāo)記為1的網(wǎng)格連接起來(lái),在指定空間的外包盒的底面 上也得到一個(gè)連通的道路區(qū)域,以及多個(gè)非連通區(qū)域。
6.如權(quán)利要求5所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述步驟(3)進(jìn)一步包括將指定空間的外包盒的底面上的輪廓線進(jìn)行空間上的擴(kuò)展,即從指定空間的外包盒的 頂面向底面做投影,凡投影落在輪廓線上的所有網(wǎng)格的道路邊界標(biāo)記都標(biāo)記為1,以獲得一 個(gè)在指定空間的外包盒中一個(gè)連通的道路空間,以及多個(gè)非連通空間。
7.如權(quán)利要求2所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,在指定空間的外包盒中,將非道路的空間上填充實(shí)體對(duì)象,所述實(shí)體對(duì)象為網(wǎng)格的集 合,所述網(wǎng)格進(jìn)一步包括位置屬性,用于表示該網(wǎng)格在城市空間的外包盒中的位置信息,以 及顏色屬性,所述顏色屬性包括透明色,以及其他的顏色,對(duì)于道路區(qū)域,將位于該道路區(qū) 域的網(wǎng)格設(shè)置為透明色,而對(duì)于非道路區(qū)域,將其對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格設(shè)置為非透明顏色。
8.如權(quán)利要求5所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述步驟(3)包括,為所有的網(wǎng)格建立一網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)庫(kù),在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)每個(gè)網(wǎng)格 的道路邊界標(biāo)記、位置屬性、顏色屬性等。
9.如權(quán)利要求5所述的三維物體的顯示方法,其特征在于,所述步驟(4)包括,首先呈現(xiàn)出城市空間的外包盒、然后通過(guò)查找網(wǎng)格信息數(shù)據(jù)庫(kù),將 城市空間的外包盒中的每個(gè)設(shè)置上相應(yīng)的屬性,從而實(shí)現(xiàn)了城市道路的三維顯示。
全文摘要
本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單的方式來(lái)顯示三維物體,通過(guò)獲取指定空間的二維俯視圖,在二維俯視圖上標(biāo)注感興趣對(duì)象的輪廓線,基于所述感興趣對(duì)象的輪廓線建立三維空間數(shù)據(jù)庫(kù),并利用所述三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)顯示所述指定空間。建立三維城市道路模型,并基于該三維城市道路模型來(lái)提供適合于一些應(yīng)用要求較低的重點(diǎn)在于道路連通性的場(chǎng)景的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G06F17/30GK101894124SQ20101017219
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者金祎 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)