开放平台的自动三维场景生成方法_王晓年.pdf

第 卷 第 期 年 月 专题研讨虚拟仿真技术（）：开放平台的自动三维场景生成方法王晓年，宋梦譞，丁保青（同济大学 电子与信息工程学院；计算机与信息技术国家级实验教学示范中心，上海）摘 要：为降低三维场景重建的难度和复杂度，提出基于二维地图构建三维虚拟场景的方法。对地图元素的导入、多边形的三角化、地图已有元素的三维构建渲染以及非地图元素的呈现方法进行了详细阐述。所提方法可自动生成三维虚拟场景，避免人工采集环境的复杂度。基于生成的场景可为定位、导航和路径规划等任务提供测试环境，也可为高年级本科生综合实验设计中的仿真、测试或者无人驾驶汽车相关研究机构提供基础平台。关键词：三维场景重建；开放街道地图；虚拟仿真中图分类号：|文献标志码：文章编号：（），（；（），）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；教育部产学合作协同育人项目（）作者简介：王晓年（），男，陕西韩城人，博士，讲师，研究方向为机器视觉和智能感知。：；：引 言三维场景建模的目的是获取物理世界的计算机描述，以便在其中实现各种仿真、测试和数字孪生等工作。图像的三维场景建模方法。可分为：通过提取图像特征，根据相机运动结构获取三维信息；通过双目或深度相机直接得到场景的深度。这两类方法都可根据同步定位和地图构建相关算法获得更为准确的重构结果。理想的图像建模拥有很高的真实感，重构三维结果和语义对象有鸿沟，当定位系统有误差时，所建构的模型也存在偏差。利用激光雷达生成的点云数据进行三维场景重建的方法。激光器根据激光束发射的角度以及发射、接收的时间差能够得到周围环境的三维坐标。所探测到的三维点集合构成点云数据，得到周围场景的模型。该方式具有精度高、不受光照影响等优点。缺点是激光器价格昂贵，且所得点云较图像过于稀疏，此外得到的三维数据中缺少色彩信息。第 卷利用 进行建模的方法。可获得需要建模场景的平面数据，再结合建筑物的外形特征和高度信息来进行建模。能够得到非常准确的三维模型数据。数据的获取和处理都具有很大的挑战，场景的规划和建筑物以及装饰的规划属于不同的部门，出于安全和知识产权的壁垒，通常难以获取；如果对场景重新测量，那么测绘的工作量会非常大。二维地理数据相较于三维模型数据更易获取，使用二维地图信息实现三维场景的建模可大大降低建模的复杂度和周期。即可根据二维地图上的建筑物、河流、树木和道路等几何信息，借助于高度信息和纹理信息自动实现三维建模工作，极大地提高建模效率。本文将讨论如何从二维地图中导出数据以及各种对象的自动生成方法，为三维场景的建模提供新的思路，以降低建模工作量。相较于 仿真环境，本文方法可更好地适应地图信息的修改。区别于商业软件 和 的建模方法，本文基于平台和 语言，利用免费地图软件和开放平台实现全自主、全自动的三维建模流程和方法。平台的开放性可为学生或科研工作者提供实验和仿真，所建模型可用于各种仿真环境，比如用于定位、用于规划导航以及 测试等。这一特点使得本文方法对新场景的构建更方便简洁，且对场景或者道路的动态变化更具适应性。中地图元素的解析，是一个免费提供全球电子地图的网站，以拓扑结构组织地图数据。数据中包括空间数据和属性数据。空间数据有 种，分别是结点（）、路径（）和关系（），和 用于表示地图中的点、线数据；是一个有序的 序列，如果该序列首尾 相同，则表示区域，反之则对应的是线段。把多个 和 组织起来表示复杂的图形。文中根据地图数据构造了 类和 个类，用以组织所有的 和，部分变量定义如下：；，；，；，；类中的成员变量包括节点的 值；结点的经纬度坐标、；结点的二维坐标、；结点的标签值 和包括此节点的路径的 值的列表。；，；中的成员变量包括路径的 值；该路径所包括结点的 值列表；该路径所包括结点的列表；路径的标签值 以及与该路径相连接的下一条路径的列表。读取选定区域的地图数据，构建一个以 为数据类型的列表，便于后续对象的遍历和查找。可以通过成员变量 访问该路径上的所有 类型的节点。改进的耳切法游戏对象是，中的基本载体，一个游戏对象上可以增加多个组件，其中比较基础的包括、和 等组件，这些组件共同决定了物体呈现在虚拟场景中的样子。决定了物体在游戏界面中的位姿和尺度。决定展现哪一个。决定以何种方式渲染，包括使用哪种材质球、是否接受阴影和投影等，二者共同决定了物体的表现形式。至少包括顶点坐标的集合以及三角形顶点索引序列。由于 中都是区域或者路径的属性描述，在渲染前必须得到对象的 数据，耳切法就是把多边形分解为三角形的经典方法。耳切法的基本思想是找出多边形的耳朵点，将其从顶点序列中移除。当最后多边形的顶点序列中只剩下 个顶点时，分解完成。图 中的阴影部分即为一个耳朵，其对应顶点 即为一个耳朵点。图 多边形的耳朵示例 为得到更合理的切分结果，在耳切法的基础上进 第 期王晓年，等：开放平台的自动三维场景生成方法行了如下处理：（）顶点序列预处理。中三角形顶点的索引顺序会影响三角形呈现的方向。使用矢量叉乘的方法判断多边形顶点顺序。先计算相邻的 个顶点构成 个矢量，个矢量叉乘结果的正、负代表序列点所指的方向，当叉乘结果为正时，采用顺时针方向的顶点存储方式；反之，对整个顶点索引序列逆序处理。（）凸点的确定。在分割三角形时，耳朵点应从凸点中选择。判断凸点的方法也采用叉乘检测法，即定义凸点为相邻 个点构成 个矢量叉乘的方向为正的点。（）耳朵点移除顺序的原则。如果移除耳朵点的顺序选取不当，会导致多边形的分割不合理，如图（）所示。耳朵点采用逐层删除原则，首先移除顶点的内角接近 的点；如果有多个候选解时，优先移除可能构成三角形内角方差较小的那个顶点。同样图形，本文的分割结果如图（）所示。（）不合理的分割结果（）本文的分割结果图 移除耳朵点不同顺序对多边形分割的影响 地图元素的自动渲染地图中的元素，包括道路，河流和建筑等都用首尾相接的点和其他属性描述。首尾相接的点构成一个多边形区域，通过上述耳切法可得三角形分割结果，实现纹理的贴图。.建筑物生成和贴图建筑物是典型的三维物体，只有对每个墙面进行渲 染，才 能 展 现 出 逼 真 的 三 维 效 果。遍 历，如果 包括“”则表示物体为一幢建筑。建筑物高度由建筑物的层数和层高共同决定。其中层数可从地图中建筑的标签读出。对于缺失此数据的建筑，如果没有人为设定则赋予随机值，表现为某些建筑物的高度在每一次建模中都会不同。层高则预先设定为固定值。建筑物的顶面形状就是地图中的封闭区域，由按照逆时针顺序存储的顶点构成；每个面墙则通过给边加上高度后形成。墙面部分直接影响重建的视觉效果，由于建筑物每个面形状和高度各异，给贴图带来一些挑战。表面贴图的素材和实际场景越接近，构建的三维场景越真实，真实的贴图需要采集和标定建筑物不同角度的照片。为让虚拟建筑物看起来更具多样性，建筑物的表面采用多种图片构成的纹理库作为素材。贴图时遵循如下两个原则：（）宏观和微观纹理并存。将图片中重复出现的部分视作一个微观纹理单元，如图 中红色方框部分所示，该单元对应一层楼的高度和一扇窗户的宽度。为提高效率，同时保存宏观单元，如图 中整体纹理所示。贴图时，可使用多个微观单元铺满整个墙面，则贴满如图所示墙面需要贴图 次，而宏观单元仅需一次。图 贴图实例 （）自动匹配加人为指定。用户可指定某个墙面使用的纹理序号，否则程序自动从墙面纹理图库中寻找最适合的纹理图片，选择次序如下：首先根据建筑物层数和宏观纹理中的层数做最优匹配，当存在多个选择时优先选择宽度更匹配的纹理，如果依然有多个候选纹理则由程序随机决定。贴图时对于不能完全覆盖的情形，则在宏观纹理图像适度变形的前提下用微观纹理进行补充。.道路、草地和河流的生成与贴图地图 文 件 中 没 有 地 形 数 据，但 当 包 括“”并且标签的 值为“”时，表示此物体为一条河流；当标签包含“”且该标签 值为“”时，此数据为一片绿地。道路是相对标准区域，正常道路可根据车道数、属性以及道路宽度动态实现贴图。对特殊区域，比如 型路口或者环岛等可先三角化然后再贴图。地图中没有指示草地和河流的高度，需要在生成平面的基础上根据属性进行调整。通过将降低位于河流内顶点的高度，形成下陷的地形。类似，也可抬高草地区域内每个顶点的高度形成草地。通过这种方法得到河床的地面如图（）所示。如果现实中的河床比较平缓，可将所有顶点坐标进行拉普拉斯平滑处理，经过平滑处理后的河床如图（）所示。草地的贴图方法与河流相同。通过法线贴图，使物体表面呈凹凸不平的逼真效果，贴图后的河流和草地如图 所示。.其他元素的自动摆放地图上没有标记的交通灯，可人为修改地图。程第 卷（）直接下沉的网格效果（）平滑处理后的网格图 有河床的地形网格图 渲染后的河流和草地序也可在道路的交叉处加上偏移后设定交通灯位置。对于三维环境重构而言，道路两旁的行道树是必不可少的部分。行道树在地图中没有标记，人为添加工作量太大。采取如下方法：遍历 中的每条数据，当某条数据的标签包含“”且该标签的 值为“”时，即对应一条道路，根据道路的数据便可进行树木模型的摆放。行道树设定算法的原则：（）同一条 的道路选用一种树形。（）车行道一般会有 个方向，如将每条路的两侧均放置行道树，会造成 条路中间树木的重叠和冗余，在本文中只在道路前进方向的右侧放置行道树。（）行道树之间的间隔可改变，可人为设定。用上述方法为每条道路计算出行道树的位置，随机从多个树木素材中选出一种放置选取的树木即完成行道树的摆放。一条道路的路面纹理和行道树放置后如图 所示。图 路面和行道树 从 网站导出某校区公开的地图文件，各图层合并后如图 所示。用文中方法自动构建的部分三维场景如图 所示。结 语本文自动建模的方法可即刻根据 图 某校区公开地图图 自动建模的部分场景数据构建三维场景，并在更换 数据为其他地区后仍然适用。此方法为测试系统进行场景建模可达到快速适应场景变换的效果，也可据此动态纹理环境实现丰富的数据信息生成等。所自动构建的三维场景被大学生综合设计与实践选为基础平台使用，基于此实现模拟“滴滴”叫车服务，完成路径规划以及实验仿真。后续工作中可加入更多智能非玩家角色，使得构建环境具备更广泛的应用场景。参考文献（）：，（），：，：徐 艳，尹璐璐，李 典，等 数字校园室内外一体化三维模型制作 地理空间信息，（）：，（），：，：，（）：王柯赛，姚锡凡，黄 宇，等 动态环境下的视觉 研究评述 机器人，（）：赵 煦 基于地面激光扫描点云数据的三维重建方法研究武汉：武汉大学，（），：，：，（）：（下转第 页）第 卷（）中上图为三相 变换器输入 相电压 波形及对应的开关 波形，图（）中下图为开关 波形的 结果。由图 可见，采用所提 方法的三相 变换器输入 相电流波形呈正弦变化且与 相电压相位保持一致，功率因数（）为|，达到了单位功率因数控制要求。同时，通过采用多步切换子系统状态预测并重组的方法，所提 方法开关 波形随电压输入扇区变化而变化且达到了 的固定开关频率要求，如图（）分析结果及左下角频率测量结果所示，实现了三相 变换器的定频切换控制。图 实验结果与图 仿真结果一致。结 语基于切换系统理论的电力电子变换器建模和控制方法，因其能够从本质上反应变换器特征而受到关注。基于传统切换系统理论的电力电子变换器建模及控制方法存在开关频率不固定，需求高采样频率，无法应用于软开关变换器等，在教学及研究中应用受限。就此，提出一种针对三相 变换器的电流切换预测控制策略，通过在固定采样周期中实现多步系统状态及最优子系统预测并进行开关状态重组的方式，实现三相 变换器定频切换控制并降低了采样频率要求。仿真及实验结果验证了所提方法的有效性。参考文献（）：杨仁炘，张琛，蔡旭，等 海上风电柔直并网系统自同步电压源控制与电网故障穿越 中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：聂晓华，刘继君 光伏并网逆变器 建模与教学仿真 实验室研究与探索，（）：，（）：，（）：，：，（）：鲁晓军，向 往，林卫星，等 混合型模块化多电平换流器小信号模型及其小信号稳定性研究 中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：屈莉莉，杨兆华，秦 忆，等 基于电流解耦控制的三相电压型 整流系统分析与设计（英文）电工技术学报，（）：，：，：程新功，张梦华，宗西举，等 三相 切换和空间电压矢量联合控制方法 电机与控制学报，（）：田崇翼，李 珂，张承慧，等 基于切换模型的双向 变换器控制策略 电工技术学报，（）：，（）：（上接第 页）李海姣 任意多边形的裁剪算法及其在土建工程中的应用南昌：华东交通大学，于明天 基于 的大型城市街区提取方法研究 天津：天津理工大学，张 俊，吴央芳，张天宇 基于虚拟技术的机械基础实验教学平台设计与实现 实验室研究与探索，（）：徐梓皓 基于虚拟建模的智能驾驶车辆环境感知算法测试系统的构建 长沙：湖南大学，孙守清，陈宜金，陈俊美 基于 和 的快速精细三维建模 北京测绘，（）：，：郭铁铮，郑亦峰，陈 巍，等 基于 的板球系统仿真实验建设与教学 实验室研究与探索，（）：