三維電子地圖數據的生成方法
2023-10-10 17:32:44 3
專利名稱：三維電子地圖數據的生成方法
技術領域：
本發明涉及生成建築物的三維電子數據的三維建模技術、以及使用該建模方法生成三維電子地圖數據的技術。
背景技術：
近年來，可在計算機上使用的電子化的地圖數據(以下，稱為「電子地圖數據」)得到了廣泛的應用。電子地圖數據應用於通常的個人計算機上的地圖顯示、車載導航系統、通過網際網路的地圖的提供以及印刷物地圖的底版製作等。並且，在導航系統中使用三維顯示，以使駕駛員能夠直觀地判斷前進的道路。通過三維顯示建築物等，可更加容易地把握現在位置及前進道路。
進行三維顯示需要建築物的三維數據。而對於作為地圖顯示對象的多個建築物來說，獲取它們的三維數據、特別是與高度相關的數據是很費力的。目前提出了很多種用於減少所述勞動的技術。所述技術例如有在日本專利第3015353號中所記載的技術以及由東京大學生產技術研究所的趙卉菁等發表的「基於距離圖像的三維城市空間數據的自動測量方法的仿真」(日本照相測量學會照相測量與遙感，Vol.36，No.4，1997.)等。前者是一種通過改進建築物高度的測量點及方向來減少獲取數據的勞動的技術。後者是一種將雷射測距儀(距離測量裝置)的測量結果與CCD圖像重疊起來獲取三維數據的方式。
另一方面，為了對沒有獲得三維數據的建築物進行三維建模，採用了不管其實際高度而假設成一定高度的方法，或從建築物的層數推測其高度的方法。這些方法都是一種模擬的三維建模方法，都不能充分反映現實狀態。
在現有的三維建模方法中，為了進行充分反映實際狀態的建模，需要對各個建築物進行一些測量。而為了生成實用的三維電子地圖數據，則需要對數量龐大的建築物進行三維建模。因此，現有技術在減少測量勞動的方面做得還不夠充分，為了生成三維電子地圖數據，同樣還是需要非常龐大的勞動。
此外，建築物每幾年就有新建、拆毀等的變化。因此，為了確保三維電子地圖數據的實用性，需要在能夠跟蹤所述建築物變化的期間內進行三維建模。但是，現有技術由於在進行三維建模時需要很長時間，所以也不能在時間上充分滿足所述要求。
發明內容
本發明是鑑於所述問題作出的，其目的在於提供一種能夠以較少的勞動進行反映實際建築物狀態的實用的三維建模的技術。此外，本發明的目的還在於提供一種通過所述三維建模在短時間內生成三維電子地圖數據的技術。
為了至少解決上述問題中的一部分，本發明通過使用計算機等在虛擬的空間內進行建築物的照片與平面形狀之間的匹配，從而實現不用測量高度的三維建模。在說明本發明的結構之前，首先對在本發明中實現三維建模的原理進行說明。
圖1是本發明三維建模的原理說明圖。該圖示出了在計算機的顯示器DISP中顯示的虛擬空間的狀態。該虛擬空間是通過緯度、經度、高度等三維坐標系來定義的。在最初階段，在顯示器DISP中只顯示虛擬空間中的地面GRD。
在如上預備的虛擬空間內，配置作為三維建模對象的建築物(以下，簡稱為對象物)的照片PIC，以及對象物的平面形狀PV。這裡，根據攝影時的攝影位置以及照相機的方向、視場角等信息來配置照片PIC。這樣配置的照片PIC，如果在虛擬空間內有對象物存在，則表示用於表示所述對象物圖像PB。另一方面，對象物的平面形狀PV，可以很容易地從已有的二維地圖數據中獲得。
接著，如圖的下方所示，將平面形狀PV向高度方向平移。這樣就在虛擬空間中生成了平面形狀PV的虛擬的三維模型。如上所述，照片PIC，如果在虛擬空間內有對象物存在，則表示由此得到的圖像PB。因此，當向高度方向平移平面形狀PV而得到的三維模型與圖像PB重合時，該三維模型即成為反映了實際對象的高度的模型。在本實施例中，通過向高度方向平移平面形狀來實現對象物的三維建模，從而，如上述再現通過攝影得到的景色。
在圖1中，基於計算機的顯示畫面說明了本發明的原理。下面，基於攝影時的狀態來說明本發明的原理。圖2是攝影圖像與建築物之間的關係說明圖。上方表示攝影時的平面形狀V1，中間表示側視圖V2，下方表示所得照片PIC的狀態。
如平面形狀V1所示，在本例中，在照相機DSC的視場角θ區域內，存在兩個建築物BLDa、BLDb。在照片PIC中，兩個建築物被拍成了幾乎相等的高度，但如側視圖V2所示，每個建築物的高度分別為Ha、Hb，並不相同。在側視圖V2內的照片PIC中，用粗線表示建築物被拍攝的範圍。很顯然，粗線的頂部位於照相機DSC與建築物頂部的連線上。
本發明在虛擬空間內通過再現圖2所示的位置關係來進行三維建模。在虛擬空間內開始建模的最初，建築物BLDa、BLDb的高度是未知的。但是，如果將照相機DSC及照片PIC以與攝影時相同的位置關係進行配置，則在PIC所顯示的建築物(圖中的粗線)的延長線上應存在建築物BLDa、BLDb的頂部。在虛擬空間內通過重合向高度方向平移平面形狀而得到的模型的頂部與照片頂部，可以在虛擬空間內再現如圖2所示的位置關係。因此，即使不測量建築物BLDa、BLDb的實際高度，也能夠在虛擬空間內確定它們各自的高度。
以上說明了本發明中的三維建模的原理。這裡，為了使原理更容易理解，根據圖1以及圖2所示的具體例子進行了說明，但是本發明並不局限於這些內容。下面，說明基於所述原理構成的本發明的概念。
本發明的三維建模方法由如下所示的步驟構成。在本發明的步驟(a)中，輸入用電子數據表示的建築物的照片。照片的輸入，例如，可以通過輸入用數位相機得到的電子數據來完成，或者也可以通過利用掃描儀將氯化銀照片(銀鉛寫真)電子化後進行輸入的方式來完成。該照片不一定要拍下建築物的整體，只要至少包含其頂部即可。
作為步驟(b)，輸入照片的攝影位置與建築物的相對位置關係和攝影參數，所述攝影參數是使照片與從攝影位置觀看建築物時的實際景象吻合而所必需的。相對位置關係及攝影參數作為數據使用於在虛擬空間內再現攝影時的狀態。因此，不必通過緯度、經度等絕對坐標來定義攝影位置，而通過建築物之間的相對關係來進行定義就可以。當然，也可以用緯度、經度等絕對坐標來分別定義攝影位置、建築物。
攝影參數可以使用可確定攝影時照相機所面對的方向以及照相機的視場角的各種參數。圖3是照相機視場角的說明圖。透鏡L與攝像部分CCD之間的距離為焦距f。由該焦距，確定視場角，即攝像部分CCD可拍到的範圍OBJ的寬度。因此，作為可確定視場角的參數，可以使用圖中的視場角θ、焦距f等。
圖4是照相機攝影方向的說明圖。圖中的X、Y、Z軸與虛擬空間中的軸對應。如果從微觀來看，可以將緯度、經度看作直角坐標系，因而可以將X軸、Y軸與緯度、經度分別對應起來。對虛擬空間中的三個軸進行定義後，就可以通過偏轉角(ヨ一角)α、仰角(ピツチ角)β、滾轉角(ロ一ル角)γ來確定照相機的攝影方向。從而，可將這些角度用作確定攝影方向的參數。攝影方向，雖然可以通過其他的各種參數來確定，但是，當使用如圖4所示的三組角度時，能夠較容易地獲得攝影時的參數值。
如上述輸入攝影參數後，作為步驟(c)，在生成三維電子數據的虛擬空間內，基於相對位置關係定義建築物的平面形狀與攝影位置，同時將照片配置在根據攝影參數規定的位置上。建築物的平面形狀不必像圖1及圖2的例子所示那樣用封閉圖形完全確定。只要確定與拍攝在照片上的一面對應的部分的平面形狀即可。因此，該平面形狀也可以是線段或者折線。
作為步驟(d)，將平面形狀向高度方向投影直到與照片一致，從而確定建築物的高度方向的形狀。所述投影可以通過操作員的操作進行，也可以自動進行。
根據本發明的三維建模方法，不用測量各個建築物的高度，就可以有效地進行三維建模。而且，與僅從建築物的層數來推測其高度等的模擬方法相比，還能夠以更高的精度實現三維建模。
本發明的三維建模方法還有如下優點即，在一張照片中含有多個建築物時，可以根據所述一張照片，對多個建築物同時進行三維建模。由於攝影不必一定要在地面上進行，因而可以通過航空照相來比較容易地實現大範圍的三維建模。
如上所述，在本發明的三維建模方法中使用的平面形狀，不必一定要完全確定，但最好根據包含建築物的二維平面地圖來確定。通過使用高精度的平面形狀，可以實現高精度的三維建模。
在本發明的三維建模方法中，步驟(c)在定義平面形狀的同時，最好包含定義表示建築物的大體形狀的基礎三維模型的步驟。建築物，不僅只像大廈那樣具有簡單的形狀，有時也具有比較複雜的形狀，如一般房屋等。基礎三維模型是將建築物按大廈、一般房屋等形狀進行分類，並定義了各自的大體形狀的模型。在定義平面形狀時，通過使用所述模型，定義包括高度方向的大體形狀，由此能夠以更高的精度、更少的勞動進行三維建模。
本發明的步驟(d)，即可以由操作者來進行，也可以通過計算機等自動進行。在後一種情況下，可以通過如下步驟來實現通過分析照片來確定建築物稜線；在投影的過程中定量分析平面形狀的邊與稜線的重合狀態；以及，根據重合狀態為極大的投影確定高度。所稱的極大表示不必一定要最大的意思。在所述自動分析中，常常由於各種噪聲的影響而導致重合狀態激烈變化，因而在重合狀態的判定中，只要通過對所述噪聲進行過濾等來確定實際為極大值的投影即可。
在本發明的三維建模方法中，最好反映出建築物附近地表的高低。所述反映可通過表示建築物附近地表高低的高低數據的輸入、高低數據向建築物附近地表面上的反映、考慮高低數據的形狀確定來進行。例如可以按如下方法對高低數據加以考慮，即，在反映了高低數據的地表的上部確定建築物的高度方向上的形狀。由此，能夠更精確地確定建築物的高度。
在本發明的三維建模方法中，作為步驟(e)，還可以將照片的至少一部分作為材料(texture)粘貼在確定了高度方向的形狀的建築物模型的表面上。作為材料粘貼的照片，也可以是與確定高度的照片不同的另外準備的照片。無論那一種照片，通過將照片粘在表面上，可以較容易地提高模型的真實性。
如上述將照片用作材料時，最好分開處理重複呈現較類似的單位結構的重複區域和此外的單獨區域。例如，在步驟(e)中，定義重複區域和單獨區域，並可在重複區域上重複粘貼單位結構的材料而不管在照片中是否獲得了實際結構。由此，可使重複區域中的材料的粘貼變得容易。而且，還可以提高材料的實用性。例如，實際上由於建築物前面有樹木及其他障礙物存在，因而經常發生無法拍攝到建築物表面本身的照片的情況。如上所述，如果重複使用材料，則可將在重複區域中的任一部分得到的照片適用於整個重複區域中，從而可以比較容易地避開障礙物的影響。
本發明既可以構成單一建築物的三維建模方法，也可以構成生成包含建築物建模的三維電子地圖數據的三維電子地圖數據的生成方法。
此外，本發明也可以構成三維建模支持裝置，所述支持裝置支持建築物的三維電子數據的生成。作為一個例子，本發明的三維建模支持裝置可包括圖像數據輸入部分、攝影信息輸入部分、虛擬空間顯示部分、投影部分、模型顯示部分。其中，圖像數據輸入部分、攝影信息輸入部分分別進行照片以及平面形狀、攝影參數的輸入。虛擬空間顯示部分在生成三維電子數據的虛擬空間中進行從攝影位置觀看建築物的方向的圖像顯示。投影部分在虛擬空間內基於攝影參數對照片進行投影。模型顯示部分顯示平面形狀通過在高度方向投影平面形狀來定義的建築物的形狀。通過使用具有所述結構的三維建模支持裝置，可高效進行本發明的建模。
除如上述構成支持裝置之外，本發明還可以構成自動生成建築物的三維電子數據的三維建模裝置。此時，本發明例如，除了在支持裝置中說明的圖像數據輸入部分、攝影信息輸入部分之外，只要還包括建模部分即可。建模部分，在虛擬空間內對平面形狀與攝影位置進行定義，配置照片，並通過在高度方向投影平面形狀直到與照片一致來確定建築物的高度方向上的形狀。
此外，本發明還可以構成數據收集裝置，所述數據收集裝置收集用於生成建築物的三維電子數據的數據。數據收集裝置可包括攝像部分、攝影參數獲取部分、數據存儲部分。攝像部分將建築物的照片以電子數據獲取。攝影參數獲取部分獲取攝影參數，所述攝影參數是使照片與從攝影位置觀看建築物時的實際景象吻合而所必要的。數據存儲部分將電子數據、攝影參數和與攝影位置相關的數據聯繫起來存儲。如果使用所述數據收集裝置，則可一元化地收集本發明所需的信息。
數據收集裝置也可以以固定照相機的三腳架等形式構成，但最好至少將一部分內置於數位相機中。尤其，最好將攝影參數獲取部分內置於照相機中，以獲得攝影時的該照相機的姿態和焦距。
本發明也可以構成電腦程式，所述電腦程式通過計算機用於實現上述三維建模方法、三維電子地圖數據的生成方法、三維建模支持裝置以及三維建模裝置。此外，還可以構成記錄這些程序的記錄介質。另外，記錄介質可以使用計算機可讀的各種介質，如軟盤、CD-ROM、磁光碟、IC卡、ROM盒(ROM cartridge)、穿孔卡片、印刷有條形碼等符號的印刷物、計算機的內部存儲裝置(RAM或ROM等存儲器)以及外部存儲裝置等。
圖1是本發明三維建模的原理說明圖。
圖2是攝影圖像與建築物之間的關係說明圖。
圖3是照相機視場角的說明圖。
圖4是照相機攝影方向的說明圖。
圖5是實施例的電子地圖數據生成系統100的結構說明圖。
圖6是自動建模部分120的結構說明圖。
圖7是手動建模部分130的結構說明圖。
圖8是材料生成部分140的結構說明圖。
圖9是建模用的數據收集裝置的結構說明圖。
圖10是三維建模的工序圖。
圖11是虛擬空間前置處理的流程圖。
圖12是起伏附加意義的說明圖。
圖13是自動建模處理的流程圖。
圖14是重合狀態的判定方法的說明圖。
圖15是手動建模處理的流程圖。
圖16是堆疊處理的方法說明圖。
圖17是材料生成處理的流程圖。
圖18是點部件設定例子的說明圖。
圖19是線部件設定例子的說明圖。
具體實施例方式
將本發明的實施方式分成如下幾項進行說明。
A.地圖數據生成裝置的結構A1.自動建模部分的結構A2.手動建模部分的結構A3.材料生成部分的結構B.用於建模的數據的收集裝置C.建模C1.前置處理C2.自動建模處理C3.手動建模處理C4.材料生成處理C5.附加構造物的設定處理A.地圖數據生成裝置的結構圖5是作為實施例的電子地圖數據生成系統100(以下，簡稱為系統100)的結構說明圖。該系統100進行建築物的三維建模，並生成三維的電子地圖數據。在本實施例中，通過在計算機內以軟體形式構築如圖所示的功能塊來構成系統100。在下面的例子中，雖然舉例說明了由單個計算機構成系統的情況，但是，也可以採用利用網絡連接主機與終端的結構。
在系統100中，各個功能塊起如下作用。數據輸入部分101從外部輸入用於建模的數據。用於建模的數據是三維建模所必需的數據，其包含作為建模對象的建築物的照片的電子數據、攝影位置以及攝影參數。在本實施例中，攝影參數使用表示攝影時照相機方向的偏轉角α、仰角β、滾轉角γ(參照圖4)，以及表示視場角的焦距(參照圖3)。這些數據可以通過磁光碟MO等介質輸入，也可以通過網絡等其他的通信方式輸入。
基於輸入的用於建模的數據，由下述各個功能塊進行三維建模。前置處理部分110具有在系統100內設置用於三維建模的虛擬空間的功能。更具體地說，具有設置生成三維模型之前的地表面的功能。為實現所述功能，前置處理部分110參照標高資料庫103以及二維地圖資料庫102。標高資料庫103是提供將地表面劃分成網狀時的各點的高度的資料庫。對於日本國內來說，例如可以使用國土地理院的50m網格值的數據。二維地圖資料庫102是平面上的已有的地圖資料庫。由此，可確定各個建築物的平面形狀。二維地圖資料庫102例如可以使用航空照片、衛星照片、住宅地圖等數據。
自動建模部分120具有根據用於建模的數據自動生成三維模型的功能。虛擬空間中的建模情況通過虛擬空間顯示部分104被顯示在系統100的顯示器上。自動建模的原理如圖1、圖2的說明。如下所述，在自動建模部分120中，備有利用所述原理自動建模的功能塊。
手動建模部分130具有響應操作員的操作生成三維模型的功能。在本實施例中，其建模對象是無法自動充分進行建模的形狀複雜的建築物。虛擬空間部分104提供虛擬空間的顯示，以使操作員在手動建模中可以參照。如下所述，在手動建模部分130中，備有用於支持手動建模的功能塊。
材料生成部分140具有根據操作員的操作在建模的建築物上粘貼材料的功能。在本實施例中，切割建築物的照片作為材料。材料的粘貼也是參照根據虛擬顯示部分104的顯示而進行的。如後所述，在材料生成部分140中，備有支持材料粘貼的功能塊。
附加構造物的設定部分150進行除建築物以外在電子地圖數據中必要的附加構造物的建模。附加構造物，例如包括樹木、信號、欄杆等。附加構造物使用註冊於部件資料庫105中的模型來定義。
整合部分106具有將在上述的各個功能塊中生成的數據聯繫起來整理為電子地圖數據的格式的功能。同時還進行表示建築物或地名的文字的設定、以及應在地圖上表示的各種標號的設定等。整合部分106將這樣整合的電子地圖數據輸出到地圖資料庫10中。電子地圖數據也可以記錄在DVD-ROM及其它的記錄介質ME中。
A1.自動建模部分的結構圖6是自動建模部分120的結構說明圖。如上所述，自動建模部分120基於圖1及圖2的原理，利用如下所示的功能塊，自動進行建築物的三維建模。
圖像邊緣提取部分121從建築物的照片提取出作為建模對象的建築物的邊緣、即稜線。邊緣的提取例如可以基於建築物各個面的色調差進行。
基礎模型選擇部分122從基礎模型資料庫123中選擇用於建模的基礎模型。圖中同時例示了基礎模型。基礎模型包括大廈的模型MD1、一層房屋的模型MD2、兩層房屋的模型MD3等。基礎模型是如上表示建築物的大體形狀的模型。在本實施例中，按一定的順序選擇基礎模型，直到在下述的匹配處理得到合適的結果為止。基礎模型的選擇也可以基於從二維地圖資料庫中得到的信息進行。
匹配部分124進行匹配處理、即改變基礎模型的高度使其與配置於虛擬空間內的照片相符的處理。並且，根據圖像邊緣和基礎模型之間的重合狀態來判斷是否相符。當即使改變基礎模型的高度也不能使二者相符時，向基礎模型選擇部分122中傳達該信息，並對其它的基礎模型進行匹配。
網格生成部分125基於匹配的結果，生成建築物的網格。A2.手動建模部分的結構圖7是手動建模部分130的結構說明圖。手動建模部分130利用如下所示的功能塊，根據操作員的操作進行三維模型的生成。
上升形狀選擇部分(立ち上げ形狀選択部)132根據操作員的指示選擇上升形狀。上升形狀預先被定義在上升形狀資料庫133中。圖中同時例示了上升形狀。上升形狀是在虛擬空間內通過將平面形狀向高度方向移動而定義的模型形狀。例如，可包括單純垂直上升(單純垂直上げ)Rp1、點集約上升(點集約上げ)Rp2、線集約上升(線集約上げ)Rp3、縮放上升(拡大縮小上げ)Rp4、階梯狀上升(階段上げ)Rp5、圓頂狀上升(ド一ム上げ)Rp6等。通過這樣定義各種上升形狀，從而可對應於各種建築物的形狀。
高度變更部分131基於選擇的上升形狀進行平面形狀在高度方向上的移動。堆疊處理部分134進行所形成的模型之間的重合，以便進行更為複雜的建模。網格生成部分135基於根據高度變更部分131、堆疊處理部分134的處理結果，生成建築物的網格。
A3.材料生成部分的結構圖8是材料生成部分140的結構說明圖。材料生成部分140利用如下所示的功能塊，進行材料向建模後的建築物上的粘貼。
重複結構設定部分141根據操作員的操作，定義對建築物重複使用相同材料的重複區域和此外的單獨區域。並且，配合該重複區域的設定來設置建築物的網格。材料設定部分142設定向各區域粘貼的材料。在本實施例中，利用照片的一部分設定材料。材料修正部分143修正從照片切下的材料，從而使其與模型的表面相符。圖中例示了修正例。圖中的陰影線表示從照片上切下的材料。修正方法包括材料的形狀修正、多個材料的結合或分離等。除此之外，也可以包括材料的顏色調整等。
材料粘貼部分144進行根據重複結構的定義設定的材料的粘貼。對於重複區域，設定的材料重複適用，在單獨區域內單獨適用。材料粘貼部分144將粘貼的結果作為材料資料庫145存儲。材料資料庫145是與定義材料的代碼以及將該材料定義為粘貼面的代碼相對應的資料庫。
B.用於建模的數據的收集裝置圖9是用於建模的數據的收集裝置的結構說明圖。用於建模的數據的收集裝置由數位相機(DSC)20與數據記錄裝置27構成。數據記錄裝置27例如可以使用手提電腦等。
DSC20具備與建築物的拍照同步地獲取攝影參數的功能。在DSC20的主體上安裝有GPS25。眾所周知，GPS25是利用來自人造衛星的電波確定位置的裝置。在本實施例中，與快門(shutter)21同步地獲取緯度、經度、高度等信息。
在DSC20的主體上，一併還設有角度傳感器24。角度傳感器24與快門21同步，獲取確定DSC20攝影時的方向的偏轉角α、仰角β、滾轉角γ。這些角度是繞圖中示出的全球(global)坐標系的、X軸、Y軸、Z軸的旋轉角度。
在DSC20的透鏡22中設有焦距傳感器23，所述焦距傳感器23與快門21同步地獲取攝影時的焦距。
在上述各傳感器中得到的數據通過接口26被發送到數據記錄裝置27中。數據記錄裝置27將這些作為攝影資料庫28保存。圖中還示出了攝影資料庫28的結構。在圖中的例子中，將每張照片對應的編號「ZN00100」作為關鍵碼，存儲緯度「LAT1」、經度「LON1」、焦距「FC1」、攝影角度「α1、β1、γ1」的各個數值。與此同時還可以存儲拍攝的照片數據以及其他的信息(comment)等。
在本實施例中，雖然示出了將各個傳感器內置於DSC20中的情況，但是也可以是以與DSC20不同的個體具有各個傳感器的裝置。以不同的個體具有的結構，例如可以是在固定DSC20的三腳架等中組裝各個傳感器的結構。
C.三維建模圖10是三維建模的工序圖。這裡，示出了對一個建築物進行建模時的處理內容。在圖5所示的系統100中，自動或者根據操作員的操作進行各個處理。
在三維建模中，首先，操作員向系統100中輸入用於建模的數據(步驟S100)。用於建模的數據包含如圖9所示的攝影參數以及照片。
接著，操作員基於所述數據進行建築物的建模。建模按虛擬空間的前置處理(步驟S200)、自動建模(步驟S300)、手動建模(步驟S400)、生成材料(步驟S500)、附加構造物的設定(步驟S600)的順序進行。系統100將這樣生成的模型註冊到地圖數據中(步驟S700)，從而完成三維建模。下面，對各個處理進行說明。
C1.前置處理圖11是虛擬空間的前置處理的流程圖。該處理相當於前置處理部分110(參照圖5)的功能。根據操作員的命令的輸入開始該處理後，系統100輸入作為建模對象的建築物的二維形狀、位置、以及建築物附近的標高數據(步驟S201)。這裡，建築物的二維形狀、位置雖然使用了二維地圖數據，但是也可以使用航空照片，還可以使用攝影地點的記錄等。在本實施例中，根據二維地圖數據輸入了完全封閉圖形的建築物的平面形狀，但是也可以只輸入照片所呈現的部分。例如，在照片中沒有拍攝到背面的時候，就可以省略這些部分輸入折線狀的平面形狀。即使在所述情況下，也可以分別生成正面的模型與背面的模型，並通過將它們結合起來，從而完成建築物的三維建模。建築物的位置既可以以緯度、經度等絕對坐標系來確定，也可以通過與攝影位置的相對關係來確定。在本實施例中，建築物附近的標高數據使用了國土地理院的標高數據，但是並不局限於此。
下面，系統100定義作為無限空間的虛擬空間(步驟S202)。同時，如圖所示，最好對從規定的視場角觀看該無限空間時的情況進行顯示。虛擬空間的三維圖形顯示可以使用公知的技術。可以任意設定進行三維圖形顯示時的視點位置，但是使其與攝影位置相一致時有利於後面的處理。
如上設定無限空間後，系統100根據在步驟S201中輸入的數據，配置建築物的二維形狀(步驟S203)。在圖中，粗線框表示建築物的二維形狀。
最後，系統100基於標高數據在無限平面中添加高低起伏(步驟S204)。此外，同時使建築物的二維形狀與添加了高低起伏的地表相適合，從而完成前置處理。
圖12是附加起伏的意義說明圖。該圖示出了從側面觀看建築物以及照相機時的狀態。如圖所示，建築物附近以及攝影位置附近的地表面具有一定標高，即，地表面與水平面不一致。攝影時的照相機DSC的標高為ALTc，建築物的標高為ALTb。
從前面的圖1及圖2示出的原理可知，在本實施例的建模方法中，不確定建築物相對地表的高度，而是確定建築物的頂部Tb的位置。並且，基於照相機DSC的攝影位置相對確定所述位置。因此，即使在虛擬空間內不考慮地表面起伏的情況下，也可以通過將照相機DSC的標高設定為ALTc，來高精度地確定建築物頂部Tb的位置、即標高。然而，這樣設定時，實際的地表面與水平面之間的部分(圖中的陰影區域)也被括入建立建築物模型的範圍內。由於該模型的建築物自身的高度與實際不同，因而不能說所述模型精確反映了現實。在本實施例中，預先在地表面上添加起伏，並在該表面上配置建築物的二維形狀，從而避開所述弊病。
在本實施例中，是在地表面上添加起伏後進行建築物的建模的，但與其相反，也可以在進行建築物的建模後，考慮標高從模型中去掉圖中的陰影部分。此外，在攝影位置與建築物之間的標高差比較小的時候，還可以省略附加起伏的處理。
C2.自動建模處理圖13是自動建模處理的流程圖。這相當於自動建模部分120(參照圖5、圖6)的功能。
在自動建模處理中，系統100在虛擬空間內配置建築物的照片PIC。圖中同時示出了配置照片的狀態。原點O是設置於虛擬空間內的攝影位置。根據攝影參數來確定拍照時的視場角θ以及攝影方向。在圖中用點劃線表示基於攝影時的偏轉角、仰角定義的攝影方向。照片在如下的約束條件下被配置於虛擬空間內即，照片垂直於該點劃線；且照片的兩端與視場角所示的範圍一致。此外，可基於攝影時的滾轉角在點劃線的周圍旋轉照片，以使建築物在虛擬空間內不傾斜。
在如上述完成照片的配置後，系統100進行圖像邊緣的提取(步驟S304)。圖中同時還示出了提取圖像邊緣的狀態。如圖的左側所示，建築物的照片，根據光線的不同，以邊緣部分為界，其每一面的色調也不相同。系統100根據產生所述色調差的部分提取建築物的邊緣。邊緣的提取並不局限於所述處理方法，也可以使用各種方法。
在完成邊緣的提取後，系統100進行基礎模型的選擇及匹配、即進行重合狀態的判定(步驟S306)。基礎模型是先前在圖6中所示的各種大體形狀。在本實施例中，選擇基礎模型並試著進行匹配，在得不到合適的匹配結果的時候，判斷為基礎模型的選擇不合適，根據預先設定的順序再選擇下一個基礎模型。
圖14是重合狀態的判定方法的說明圖。在圖的下方，示出了匹配順序。圖的左側表示從作為對象的建築物提取了邊緣的模型。如右所示，系統100使基礎模型的高度向P1、P2…多個階段變化，判斷提取的邊緣與基礎模型所包含的線段的重合狀態。例如，關於高度P3，判斷圖中箭頭所示的部分的重合狀態。
重合狀態的判斷例如可以利用圖上方所示的方法進行。首先，在實線所示的邊緣L1的周圍，以一定的寬度定義區域A1。同時，如虛線所示，也在基礎模型側的邊L2的周圍以一定的寬度定義區域A2。根據邊緣L1與邊L2之間的位置關係，在區域A1、A2中發生相一致的範圍的重合(圖中的陰影部分)。所述重合面積隨著基礎模型高度的變化而變化。例如，若使基礎模型的高度逐漸變高，則如圖左側所示，重合部分的面積將先擴大、後減小。在圖的中間通過圖表表示所述變化的狀態。一致率是與區域A1、A2的總和相對的重合部分的面積。如圖所示，當逐漸增大基礎模型的高度時，一致率逐漸增大，並在高度P6上達到極大值，然後漸漸減小。這樣，系統100根據一致率的變化，判定在高度P6上基礎模型與邊緣是相匹配的。當然，也可以將高度P6附近分的更細，判斷匹配狀態。重合狀態的判斷並不局限於這裡所示的例子，也可以使用各種方法。
這樣，在匹配結束後，系統100根據其結果確定基礎模型的高度，並生成作為對象的建築物的網格(步驟S308)。
C3.手動建模處理圖15手動建模處理的流程圖。這相當於手動建模部分130(圖5及圖7)的功能。
根據操作員的命令輸入開始進行處理後，系統100在虛擬空間內進行照片的配置(步驟S402)。照片配置的處理與自動建模處理(圖13)的步驟S302相同。在虛擬空間內配置的照片被顯示在系統100的顯示器上。
操作員根據呈現於虛擬空間內的平面形狀以及照片，進行上升形狀的選擇及匹配(步驟S404)。操作員觀察建築物的形狀，從圖7所示的例子中選擇認為合適的上升形狀。在操作員指定虛擬空間內的高度後，系統100生成呈所選上升形狀的、且與指定高度對應的模型，顯示在虛擬空間內。操作員進行匹配處理，即指定高度，使這樣顯示的模型與照片相一致。在該處理中，可以通過各種方法進行高度的指定，但是，從操作的簡便性的角度來看，例如，最好在虛擬空間的顯示畫面中，通過操作滑鼠等指向設備(pointing device)來進行指定。
手動建模進行自動建模無法進行的形狀複雜的建模等。在形狀複雜的建築物中，有時僅用匹配處理不能充分進行建模。在手動建模中，為了對如此形狀複雜的建築物進行建模，進行堆疊處理(步驟S406)。圖中示出了堆疊處理的概要。堆疊處理，例如是對如圖所示的上層部分與下層部分的平面形狀不相同的建築物等進行建模的處理。對於所述建築物來說，通過結合下層部分的模型與上層部分的模型來完成一個模型。堆疊處理意指上述的多個模型的結合處理。模型的結合不必局限於堆疊方向上，也可以是在水平方向上相鄰接的模型的結合。
圖16是堆疊處理的方法說明圖。該圖示出了在系統100的顯示器DISP中顯示的畫面的例子。所述顯示，在左側進行虛擬空間的三維顯示VL，在右側進行平面顯示VR。關於建築物的照片，省略其圖示。
對於圖15所示的兩層結構的建築物，已給出其上層部分的平面形狀OBJin和下層部分的平面形狀OBJout。操作員將下層部分的平面形狀OBJout向高度方向移動，從而如左側所示，可生成下層部分的模型LE1。本實施例在此階段，設定上層部分的平面形狀OBJin不對下層部分的模型LE1產生影響。即，平面形狀OBJin僅位於模型LE1的上面，模型LE1的形狀不依賴於是否設定了平面形狀OBJin。
接著，操作員可通過在高度方向移動上層部分的平面形狀OBJin，來生成上層部分的模型LE2。在本實施例中，上層部分的模型LE2是從下層部分的模型LE1的上面向上形成的。通過這樣分階段地建模，可以實現由多層構成的建築物的建模。本實施例中的堆疊處理僅為例示，堆疊處理也可以這樣進行即，以抽掉上層部分的模型LE2存在的部分的狀態來形成下層部分的模型LE1，然後從地表面向上形成上層部分的模型LE1，並將二者組合起來。此外，還可以以與實施例相同的形狀來生成下層部分的模型LE2，並從地表面開始形成上層部分的模型LE1，然後使二者通過邏輯運算結合。
在圖16的例子中，例示了已知下層部分及上層部分的平面形狀的情況。在上層部分的平面形狀OBJin為未知的情況下，在三維顯示VL或者平面顯示VR中，操作員可以定義平面形狀。該定義既可以在下層部分的建模之前進行，也可以在進行下層部分的建模之後的上層部分的建模之前進行。
如上述完成建模以及堆疊處理後，系統100根據該結果確定基礎模型的高度，並生成作為對象的建築物的網格(步驟S408)。
C4.材料生成處理圖17是材料生成處理的流程。這相當於材料生成部分140(參照圖5及圖8)的功能。
在材料生成處理中，操作員首先設定重複結構(步驟S502)。即，設定可重複使用相同材料的重複區域，和此外的單獨區域。圖中同時示出了重複結構的設定例子。加了陰影的部分為重複區域。在大廈等各層的結構類似的情況下，可以以各層為單位設定重複區域。重複區域以外的部分被定義為單獨區域。
該處理中的重複區域是作為使用材料的單位定義的，因而重複區域不必一定要與建築物的實際結構相對應。例如，如圖的中間所示，也存在其正面由多層的重複結構構成，而其側面由一面構成的建築物。在所述建築物中，可以對正面以各層為單位設定重複區域，而將側面作為單獨區域。
如上述完成重複結構的定義後，操作員進行材料的設定(步驟S504)。材料是基於建築物的照片來生成的。雖然也可以使用與在三維建模中使用的照片相同的照片，但是在本實施例中，考慮到材料與模型的符合程度，使用建築物正面的照片。在材料設定處理中，操作員將照片的一部分作為材料切下來，並進行修正，使其具有符合模型的表面的形狀、色調等。所述修正還包括材料之間的結合、分離等。
如上述完成材料的設定後，系統100根據操作員的命令進行材料的粘貼處理(步驟S506)。圖中示出了向重複區域內粘貼材料的狀態。左側為建築物的照片，右側為生成的模型。如圖所示，可以通過將最上層的照片重複粘貼到各層上來完成模型。在建築物的前面，經常有樹木及其他障礙物，因此常常較難獲得建築物整體的材料。如果像本實施例那樣定義重複區域，則可以利用如建築物的最上層等拍攝效果最佳部分的材料，從而可以比較容易地在整個建築物上粘貼材料。另外，圖中的例子，示出了在一層部分的作為單獨材料使用的區域內也粘貼了重複的材料的情況，但是單獨材料也可以粘貼另外準備的材料。
C5.附加構造物的設定處理附加構造物的設定處理，相當於附加構造物設定部分150(參照圖5)的功能，是與建築物本身的建模不同的、定義建築物周圍的附加構造物的處理。在本實施例中，根據操作員的操作，配置預先準備好的附加構造物的模型。附加構造物根據其配置的指定方法分為點部件與線部件。
圖18是點部件設定例子的說明圖。點部件是可通過指定用於設置附加構造物的一點來配置模型的部件。小的點部件包括信號燈、街燈、電線桿子、郵筒、公共汽車站牌、電話亭、街道旁邊的樹、道路標識等。大的點部件包括如高壓電線桿、行動電話的電波發射塔、加油站、便利店等連鎖店鋪等的統一化的形狀。這些點部件不必一定要使用本實施例所示的建模方法來生成，而是可以使用一般的三維建模方法來生成。
圖中示出了配置所述點部件的一例-信號燈時的顯示畫面。如上所述，在顯示器DISP中，在左側進行虛擬空間的三維顯示VL，在右側進行平面顯示VR。在設定點部件時，在選擇部件的種類的同時，如平面顯示VR中的箭頭所示，指定部件的設置點。與此相應，在三維顯示VL中顯示信號燈的模型Add1。在配置樹木等的時候，還可以在三維顯示VL中設定其高度。
圖19是線部件設定例子的說明圖。所謂線部件是指可通過指定用於設置附加構造物的線段範圍來配置模型的部件。所述部件包括護欄、牆壁、圍牆、人行橫道斑馬線等道路的各種白線、各種橋的形狀、中央隔離帶等。這些模型也可以用通常的三維建模方法來形成。線部件註冊單位長度的單位模型，根據指定的範圍，重複使用單位模型。
圖中示出了配置所述線部件的一個例子-護欄時的顯示畫面。在二維顯示VR中，如箭頭所示，通過確定線段範圍，即線段的起點、終點，在三維顯示VL中顯示護欄的模型Add2。
D.效果根據以上說明的本實施例的電子地圖數據生成系統，不用測量建築物的高度，就可以進行三維建模。因此，能夠以較少的勞動、高精度地進行建築物的建模。
在圖10以後的處理中，說明了對單一建築物的建模，但是在一張照片中攝有多個建築物時，可以對這些建築物同時進行建模。因此，可以更加有效地進行三維電子地圖數據的生成。
在本實施例中，可以通過使用基於建築物的照片的材料，進一步提高模型的真實性。此外，通過使用重複結構，可以簡便、高效地適用這些材料。
E.變形例在本實施例中，舉例說明了利用在地面上拍攝的照片的建模。如果攝影參數以及攝影位置是已知的，則照片並不局限於在地面上進行拍攝的。例如，也可以使用從傾斜方向拍攝建築物而得到的航空照片。通過使用攝影位置以及攝影參數已知的航空照片，可以有效地進行大範圍的三維建模。
在本實施例中，根據如圖10所示的各個步驟進行建模，但也可以省略自動建模中手動建模中的任一個。此外，材料生成處理、附加構造物的設定處理是用於提高三維模型的真實性的處理，因此，也可以根據模型的用途省略。
以上，對本發明的各種實施例進行了說明，但本發明並不局限於這些實施例，可以在不脫離其宗旨的範圍內採用各種結構。例如，以上的控制處理，除用軟體實現之外，也可以用硬體來實現。
工業實用性本發明可用於生成建築物的三維電子數據的三維建模技術、以及使用該建模方法生成三維電子地圖數據的領域。
權利要求
1.一種三維建模方法，用於生成建築物的三維電子數據，其中，該方法具有如下步驟(a)輸入以電子數據表示的所述建築物的照片；(b)輸入該照片的攝影位置與建築物之間的相對位置關係，和攝影參數，所述攝影參數是使所述照片與從該攝影位置觀看該建築物時的實際景象相吻合而所必需的；(c)在生成所述三維電子數據的虛擬空間內，基於所述相對位置關係定義所述建築物的平面形狀與所述攝影位置，同時將所述照片配置在根據所述攝影參數規定的位置上；(d)將所述平面形狀向高度方向投影直至與所述照片一致，從而確定該建築物的高度方向的形狀。
2.如權利要求1所述的三維建模方法，其中，所述平面形狀通過包含所述建築物的二維平面地圖來確定。
3.如權利要求1所述的三維建模方法，其中，所述步驟(c)在定義平面形狀的同時，包括定義表示所述建築物的大體形狀的基礎三維模型的步驟。
4.如權利要求1所述的三維建模方法，其中，所述步驟(d)包括如下步驟通過分析所述照片來確定所述建築物的稜線；在所述投影的過程中，定量分析所述平面形狀的邊與所述稜線之間的重合狀態；根據所述重合狀態為極大的投影確定所述高度。
5.如權利要求1所述的三維建模方法，其中，在所述步驟(c)之前，具有輸入表示所述建築物附近地表的高低的高低數據的步驟，所述步驟(c)還包括在所述建築物附近的地表上反映所述高低數據的步驟，所述步驟(d)在該地表的上部進行所述高度方向的形狀確定。
6.如權利要求1所述的三維建模方法，其中，還具有如下步驟(e)將所述照片的至少一部分作為材料粘貼在通過所述步驟(d)確定了高度方向的形狀的所述建築物模型的表面上。
7.如權利要求6所述的三維建模方法，其中，所述步驟(e)具有如下步驟在所述構造物的表面上，定義適合重複使用類似的單位結構的重複區域和除該重複區域之外的單獨區域；在該重複區域上，不管在所述照片中是否獲得了實際的結構，都粘貼所述單位結構的材料。
8.一種三維電子地圖數據的生成方法，用於生成包含建築物的三維電子地圖數據，其中，該方法具有如下步驟(a)輸入以電子數據表示的所述建築物的照片；(b)輸入攝影位置數據和攝影參數，其中，所述攝影位置數據可在地圖上確定拍攝了該照片的攝影位置，所述攝影參數用於確定進行該攝影時的照相機的朝向及視場角；(c)基於在步驟(a)、步驟(b)中得到的數據，在生成所述三維電子數據的虛擬空間內配置從平面地圖得到的所述建築物的平面形狀、所述攝影位置及所述照片；(d)將所述平面形狀向高度方向投影直到與所述照片一致，從而確定該建築物的高度方向的形狀。
9.一種三維建模支持裝置，用於支持建築物的三維電子數據的生成，其中，該裝置具有圖像數據輸入部分，輸入以電子數據表示的所述建築物的照片及平面形狀；攝影信息輸入部分，輸入該照片的攝影位置與該建築物之間的相對位置關係，以及攝影參數，所述攝影參數是使所述照片與從該攝影位置觀看該建築物時的實際景象相吻合而所必需的；虛擬空間顯示部分，在生成所述三維電子數據的虛擬空間內，以所述攝影位置為基準，基於所述相對位置關係配置所述平面形狀，同時顯示從該攝影位置觀看該建築物的方向的圖像；投影部分，在所述虛擬空間內通過在根據所述攝影參數規定的位置上配置所述照片，從而在所述顯示的圖像內投影所述照片；模型顯示部分，同時在所述顯示的圖像內顯示通過將所述平面形狀向高度方向投影而定義的所述建築物的形狀。
10.一種三維建模裝置，用於生成建築物的三維電子數據，其中，該裝置具有圖像數據輸入部分，輸入以電子數據表示的所述建築物的照片以及平面形狀；攝影信息輸入部分，輸入該照片的攝影位置與該建築物之間的相對位置關係，以及攝影參數，所述攝影參數是使所述照片與從該攝影位置觀看該建築物時的實際景象相吻合而所必需的；建模部分，在生成所述三維電子數據的虛擬空間內，基於所述相對位置關係定義所述平面形狀和所述攝影位置，在根據所述攝影參數規定的位置上配置所述照片，通過將所述平面形狀向高度方向投影直到與所述照片一致來確定該建築物的高度方向的形狀。
11.如權利要求10所述的三維建模裝置，其中，所述建模部分具有稜線分析部分，通過分析所述照片來確定所述建築物的稜線；重合狀態分析部分，在所述投影過程中，定量分析所述平面形狀的邊與所述稜線的重合狀態，通過該重合狀態為極大的投影來確定所述高度。
12.一種數據收集裝置，用於收集為生成建築物的三維電子數據而使用的數據，其中，該裝置具有攝像部分，將所述建築物的照片以電子數據獲取；攝影參數獲取部分，獲取攝影參數，所述攝影參數是使所述照片與從該照片的攝影位置觀看該建築物時的實際景象相吻合而所必需的；數據存儲部分，將所述電子數據以及攝影參數和與所述攝影位置相關的數據聯繫起來存儲。
13.如權利要求12所述的數據收集裝置，其中，所述攝像部分是數位照相機，所述攝影參數獲取部分內置於該照相機中，獲取所述攝影時的該照相機的姿態及焦距。
14.一種記錄介質，計算機可讀取地記錄有用於使用計算機來生成包含建築物的三維電子地圖數據的電腦程式，其中，所述電腦程式在計算機中實現如下功能輸入以電子數據表示的所述建築物的照片以及平面形狀；輸入攝影位置數據和攝影參數，其中，所述攝影位置數據可在地圖上確定拍攝了該照片的攝影位置，所述攝影參數用於確定進行該攝影時的照相機的朝向及視場角；基於所述輸入的數據，在生成所述三維電子數據的虛擬空間內配置所述建築物的平面形狀、所述攝影位置、所述照片；通過將所述平面形狀向高度方向投影直到與所述照片一致，從而確定該建築物的高度方向的形狀。
15.一種記錄介質，計算機可讀取地記錄有用於使用計算機來支持建築物的三維電子數據的生成的電腦程式，其中，所述電腦程式在計算機中實現如下功能輸入以電子數據表示的所述建築物的照片以及平面形狀；輸入該照片的攝影位置與該建築物之間的相對位置關係，以及攝影參數，所述攝影參數是使所述照片與從該攝影位置觀看該建築物時的實際景象相吻合而所必需的；在生成所述三維電子數據的虛擬空間內，以所述攝影位置為基準，基於所述相對位置關係配置所述平面形狀，同時顯示從該攝影位置觀看該建築物的方向的圖像；在所述虛擬空間內通過在根據所述攝影參數規定的位置上配置所述照片，從而在所述顯示的圖像內投影所述照片；同時在所述顯示的圖像內顯示通過將所述平面形狀向高度方向投影而定義的所述建築物的形狀。
全文摘要
在生成三維電子地圖數據時，通過如下方法，不用測量建築物的高度就可以進行建築物的三維建模。首先，拍攝建築物，記錄其攝影位置及攝影參數(照相機的方向、視場角)。其次，基於這些數據，在計算機中的已預備好的虛擬空間內配置照片，以再現攝影時的狀態。同時，基於二維地圖數據配置建築物的平面形狀。再次，將平面形狀向高度方向移動直到與照片重合，從而進行建築物的建模。由此，可以在不測量高度的情況下實現建築物的三維建模。
文檔編號G01C21/26GK1539120SQ0281214
公開日2004年10月20日 申請日期2002年6月19日 優先權日2001年6月20日
發明者岸川喜代成 申請人:善鄰股份有限公司