CN113610993B - 一种基于候选标签评估的3d地图建筑物标注方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法，采用WebGL技术，基于多边形中心计算获取每座建筑物的最高点作为标签放置瞄点，在瞄点周围的潜在位置集合中选取具有代表性的候选标签，构成建筑物的候选标签集合，基于标签的可见性以及用户的阅读习惯对标签进行质量评价，剔除视域范围外的标签，并依据用户阅读习惯赋予候选标签不同的权重，通过权值大小反映标签位置的恰当程度，结合3D场景多座建筑物标签冲突的需求，借鉴透视变换中的屏幕空间技术，将标签从三维空间投影到屏幕空间中，消除标签之间存在的冲突。本发明很好地保持了标签与建筑物之间的视觉关联性，实现了在复杂三维场景下对建筑物的精准标注，具有很好地灵活性和普适性。

Description

一种基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法

技术领域

本发明涉及地图标注领域，具体涉及一种基于候选标签评估的复杂三维城市场景下建筑物的标注方法。

背景技术

地图是存在于地理学中一门特有的语言，通过形象、直观、综合地对现实世界中的地理知识进行描述，为人类了解世界和认知世界提供了一种科学途径，同时，地图对许多地理知识进行了概括，通过对地图进行观察、分析，能够获取到许多地理特征和地理规律，地图为人类的科学发现和分析提供了一种方法和手段。随着计算机硬件和地理数据采集技术的进步，3D地图在规划、导航、旅游和科学研究等诸多领域都得到了广泛地应用，3D地图除包含一些诸如位置查询、出行规划、路径展示等一些基础服务外，还在地图中集成车辆查询、酒店预订、休闲娱乐等一些生活服务以及网上政务、电子商务之类的办公服务，3D地图更加生动真实地将数字城市的概念引入用户的日常生活中，为人们的日常生活带来切实的便利。与二维地图相比，伴随计算机图形学和虚拟现实技术的进步，三维地图拥有更丰富的场景细节和真实感，但在满足用户日常需要的同时也为用户识别地理空间特征、提取场景中的信息带来了困难。

标注作为地图中的一种特有的自然语言，能够为场景信息可识别性起到了一种补充作用。通过将标注引入3D场景，特别是在复杂城市环境下，通过为自然地理实体和其他人文地理实体添加标签，可以有效地增强虚拟环境下的信息表达能力，帮助用户建立虚拟环境要素与现实世界空间对象的联系，为用户获取三维场景相关信息提供一种更为有效的方法。建筑对象作为3D场景中的典型特征，通过为其添加适当的标注可以有效提升3D场景信息的可读性，提升用户在三维地图场景中的沉浸感。但是与2D平面特征不同，3D场景下的建筑特征和形状相当复杂，这进一步提升了三维地理空间下建筑物标签放置的难度。另外，视点与建筑物之间的空间关系以及建筑物与周围环境之间的关系都会影响到建筑物标注的效果。

目前，国内外很多高科技公司都推出了相应的三维地图标注方式，且广受好评。但是这些算法对于标签放置大都是采用实时运算的方式，在保证标签最佳位置的同时也带来了巨大的性能消耗，同时也会出现标签与建筑物关联混乱的问题，切实影响用户的实际操作体验。因此，如何建立并提升三维空间中建筑物标签放置的质量和效率成为一个很有价值的研究课题。

发明内容

本发明目的在于针对现有标注方法在三维地图标注过程中存在的缺陷和不足，提出了一种基于候选标签评估的3D地图建筑物的标注方法，该方法以实现在复杂三维城市场景下对建筑物的精准标注效果。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：对原始城市建筑数据进行预处理。将原始数据由shp格式统一转换为GeoJSON格式，在数据中导入地名字段和楼层数字段，作为建筑物简模渲染到Cesium平台中。

步骤2：将建筑轮廓多边形数据划分为多个三角形，求得各个三角形的重心坐标和面积后，计算所有三角形重心坐标以面积为权的加权平均数即可得到多边形的中心坐标，赋予楼层因子后得到城市建筑的最高点或者最高平面的中心点坐标，将其作为标签放置的瞄点，使得标签瞄点在拥有最大可见性的同时，能够与建筑物保持良好的视觉关联性。依据标签放置的瞄点，为建筑物构建始终面向屏幕的动态方向标签。

步骤3：在动态方向标签的周围，有许多潜在的位置可以用来放置标签，从标签潜在位置集合中选取了具有代表性的标签位置，以此构成了建筑物的候选标签集合。

步骤4：基于标签的可见性以及用户的阅读习惯对标签进行质量评价。首先依据视锥体对场景中的标签进行可见性探测，视域外的标签将被剔除，不参与后续运算。随后依据用户的阅读习惯对候选标签赋予权重，权值直接反映标签位置的恰当程度。当一个候选位置的权值最小时，这个位置就被认为是最佳的标签位置。

步骤5：将透视变换中的屏幕空间投影技术应用到三维场景多座建筑物标签重叠中。使得标签从三维空间投影到二维屏幕空间中，标签坐标系由三维笛卡尔坐标转换为二维屏幕坐标，随后在各个标签之间进行重叠检测。

步骤6：将冒泡排序的算法思想应用到二维屏幕空间的标签冲突解决中，设计算法解决各个标签之间存在的冲突，输出相应的标签放置结果。

进一步地，本发明借鉴多边形中心计算的方法，获取城市建筑物的最高点或者最高平面的中心点坐标，将其作为标签放置的瞄点，为建筑物构建始终面向屏幕的动态方向标签。

进一步地，本发明结合3D场景建筑物标注的需求，借鉴候选标签构建的方法，从标签的潜在位置集合中选取具有代表性的标签位置，构成建筑物的候选标签集合。

进一步地，本发明基于标签可见性和用户阅读习惯对候选标签进行质量评价，通过视锥体技术直接将视域范围外的标签剔除，且不参与下一阶段的运算。依据用户阅读习惯为候选标签赋予权值，通过权值大小来反映标签位置的恰当程度，进而赋予候选标签不同的运算优先级。

进一步地，本发明结合3D场景多座建筑物标签冲突的需求，借鉴透视变换中的屏幕空间投影技术，将标签坐标系从三维笛卡尔坐标系转换为二维屏幕坐标系，通过标签中心点坐标判断两个标签是否相交来完成标签之间的重叠检测。

进一步地，本发明结合二维屏幕空间中标签冲突解决的需求，借鉴冒泡排序的算法思想，设计算法消除标签之间存在的冲突。在具体的冲突解决过程中，首先输入所有的候选标签集合，依据次序每次输入两个标签，当第N个标签与N-1个标签发生重叠时，调用第N-1个标签候选集合中其他标签进行比较，然后再与第N-2个标签进行重叠测试，当标签与之前的N-1个标签都不存在标签冲突后，放入第N+1个标签，依次类推，直至所有标签都完成放置。

有益效果：

1.本发明结合3D地图建筑物标注的需求，借鉴候选标签构建的方法，为场景中的每座建筑物构建以动态方向标签为主的候选标签集合，有效降低实时计算标签最佳位置带来的性能消耗问题，进一步降低了计算的时间复杂度，从而得到更优的三维建筑物标注效果。

2.本发明对标签在对象空间中的文本长度进行了深入研究，采用动态空间对象大小的方案，在二维屏幕空间中建筑物所对应的像素大小与用户视觉距离呈现负相关关系，而在本发明提出的方法中将标签的字体大小设置为动态大小，即标签在屏幕空间中的大小始终保持不变。这种方案能够有效保证标签的文本可读性，即使建筑物处在远处用户依然能够清晰地看到上面的标签。

3.本发明采取动态方向标签的方案，使得标签能够始终面向屏幕从而保证标注在任何视角下都具有良好的可见性，在保持了标签与建筑物之间优良的视觉关联性的同时，有效解决俯瞰城市场景时平面屋顶上固定标签产生的文本倒置问题。

4.本发明结合3D场景多座建筑物标签冲突的需求，借鉴透视变换中的屏幕空间投影技术，将标签从三维空间笛卡尔坐标系转换为二维屏幕坐标系，在屏幕空间中进行标签重叠检测并设计算法解决各个标签之间存在的冲突，大幅度提高了建筑物标签的可见性，为用户提供了良好的视觉效果。

附图说明

图1为本发明的基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法的技术流程图。

图2为实例中所采用的建筑轮廓数据及其位置信息示意图。

图3为建筑物构建的候选标签集合示意图。

图4为标签视锥体剔除技术示意图。

图5为建筑物的候选标签评估结果示意图。

图6为屏幕空间投影技术的示意图。

图7为屏幕空间中标签冲突解决算法流程图。

具体实施方式：

下面结合说明书附图对本发明的具体实施做详细的说明，基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法包含以下步骤：

(1)对原始城市建筑数据进行预处理，通过计算得出轮廓的中心点坐标数据，并作为属性字段存储于数据的属性表中。选取建筑物的最高点或者最高平面的中心点作为标签放置的瞄点，然后构建动态方向标签，标签将始终面向屏幕从而保证标签在各个视角下都能有良好的可读性。

(2)在动态方向标签的周围，有许多潜在位置可以用来放置标签，从标签的潜在位置集合中选取具有代表性的标签，构成建筑物的候选标签集合。

(3)在实时运行期间，标签的方向和大小可能会动态调整，从而影响用户的视觉观看效果。因此，必须对标签进行质量评价，以确保用户实时观看时能有最佳的视觉效果。对3D场景下建筑物标签特征进行考虑，根据标签可见性和用户的阅读习惯对标签进行质量评价。

1)第一个影响因素是标签的可见性。标签将依据其默认位置及其先前计算的对象大小放置。但是，它仍然可能被视锥体视图所剔除或被环境中的其他场景实体(例如建筑物)所遮盖。为解决这种情况，必须对候选标签进行可见性探测，剔除可见性较差的标签。

2)第二个影响因素是用户的阅读习惯，在地图制图学中，标签放置的不同位置将直接影响到用户对信息的接受效果，一个理想的标签应该具有极佳的视觉关联效果和良好的可读性，依据用户的一般阅读习惯对瞄点附近的标签进行质量评估。为场景中标签瞄点的每个候选位置赋予不同的权重，这个权值直接反映这个候选标签的位置恰当程度，权值越小，标签的候选位置越恰当。

(4)将透视变换中的屏幕空间技术应用到多座建筑物标签冲突的问题解决中，将建筑物标签从三维空间投影到二维屏幕空间，在屏幕中检测各个标签之间的重叠，设计算法消除各个标签之间的冲突，最终完成标签的放置。

1)本发明提出的方案中通过视锥体获取当前视域中的所有标注，视锥体之外的标签不进入冲突计算，然后将标注在对象空间中的三维笛卡尔坐标转换为二维屏幕坐标。图6中将视锥体内的标注投影到屏幕空间中后，标签冲突被视为一个二维重叠问题。

2)将标签冲突问题由三维转为二维后，在屏幕空间中进行冲突问题的解决。以矩形区域表示标签的放置位置，通过两个矩形区域中心点的距离差来判断两个矩形是否相交，当一个标签的所有候选位置都与另一标签存在明显重叠后，这个标签的show属性将会被设置为Flase，标签被隐藏并且不再参与下一阶段运算。

3)结合二维屏幕空间中标签冲突解决的需求，借鉴冒泡排序的思想，设计算法消除标签之间存在的冲突。在具体的冲突解决过程中，首先输入所有建筑候选标签集合，依据次序每次输入两个标签，当第N个标签与N-1个标签发生重叠时，调用第N-1个标签候选集合中其他标签进行比较，然后再与第N-2个标签进行重叠测试，当标签与之前的N-1个标签都不存在标签冲突后，放入第N+1个标签，依次类推，直至所有标签都完成放置。

如图1所示，本发明基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法主要由以下三个部分组成：

1.基于动态方向的建筑物候选标签位置生成。

2.基于标签可见性和阅读习惯的标签质量评估。

3.顾及位置重叠的标签冲突解决。

以北京市的建筑数据为例来详细描述3D地图建筑物标注方法的详细流程。

(1)建筑数据预处理

如图2所示选取北京市东城区的建筑轮廓数据，计算出各个轮廓多边形的中心点坐标，作为属性字段存储在数据的属性表中，然后依据数据不同的楼层数赋予建筑不同的高度，以GeoJSON的格式渲染到Cesium平台上作为建筑物的简模。

(2)基于动态方向的建筑物候选标签位置生成。

基于多边形中心计算获取建筑物最高平面的中心点作为标签放置的瞄点，生成始终面向屏幕的动态方向标签。在动态方向标签的周围，有许多潜在位置可以用来放置标签。如图3显示标签瞄点的一组典型的四个可能的潜在标签位置，称为候选标签的四分位模型，以此构成建筑物的候选标签位置集合。

(3)基于标签可见性和阅读习惯的标签质量评估。

如图4所示，对建筑物的标签进行可见性探测，可见性较差的标签将直接从候选标签集合中剔除，且不参与下一阶段的运算。其次依据用户的一般阅读习惯对瞄点附近的标签进行质量评估。为场景中标签瞄点的每个候选位置赋予不同的权重，这个权值直接反映这个候选标签的位置恰当程度。如图5所示，每个候选标签都有不同的权值大小，权值大小与位置恰当程度呈负相关关系，当一个候选位置的权值最小时，这个位置就被认为是最佳的标签位置。

此外，本发明还对标签在对象空间中的文本长度进行了研究，采用动态空间对象大小的方案，以确保距离用户较远的标签具有良好的可读性。首先，在屏幕空间中根据标签的字体大小(pt)获取每个标签的预期像素大小(px)，字体大小用户可以自行定义，随后依据模型矩阵、投影矩阵、视图矩阵、窗口矩阵以及标签的位置计算每个像素值(px)在对象空间中的对应大小。

在二维屏幕空间中建筑物所对应的像素大小与用户视觉距离呈现负相关关系，而在本发明提出的方法中将标签的字体大小设置为动态大小，即标签在屏幕空间中的大小始终保持不变，这样标签即使处在远处用户依然能够清晰地看到。

(4)顾及位置重叠的标签冲突解决。

针对场景中不同建筑物的最佳标签投影到屏幕空间中可能会出现标签冲突的情况，将透视变换中的屏幕空间投影技术应用到标签冲突的问题解决中，使得建筑物的标签由三维笛卡尔坐标系转换为二维屏幕坐标系，图6将视锥体内的标注投影到屏幕空间中后，标签冲突被视为一个二维重叠问题。在屏幕空间中进行各个标签之间的重叠检测，依据冒泡排序的思想设计算法，最终解决标签之间存在的冲突。图7为标签冲突解决的算法流程图。结合本例，本发明提出的方法在保持标签与建筑物之间良好的视觉关联性的同时，也实现了在复杂三维场景下对建筑物的精准标注，具有良好的灵活性和普适性。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (2)

1.一种基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：基于原始城市建筑数据进行预处理，将原始数据由shp格式统一转换为GeoJSON格式，在数据中导入地名字段和楼层数字段，作为建筑物简模渲染到Cesium平台中；

步骤2：将建筑轮廓多边形数据划分为多个三角形，求得各个三角形的重心坐标和面积后，计算所有三角形重心坐标以面积为权的加权平均数即可得到多边形的中心坐标，赋予楼层因子后得到城市建筑的最高点或者最高平面的中心点坐标，将其作为标签放置的瞄点，使得标签瞄点在拥有最大可见性的同时，与建筑物保持视觉关联性，依据标签放置的瞄点，为建筑物构建始终面向屏幕的动态方向标签；

步骤3：从标签的潜在位置集合中选取具有代表性的标签位置，以此构成建筑物的候选标签集合；

步骤4：基于标签的可见性以及用户的阅读习惯对标签进行质量评价，首先依据视锥体对场景中的标签进行可见性探测，视域外的标签将被剔除，不参与后续运算，随后依据用户的阅读习惯对候选标签赋予权重，权值能够直接反映标签位置的恰当程度，权值越小，此位置越恰当；

步骤5：将透视变换中的屏幕空间投影应用到三维场景多座建筑物标签重叠中，使得标签从三维空间投影到二维屏幕空间中，标签坐标系由三维笛卡尔坐标转换为二维屏幕坐标，随后在各个标签之间进行重叠检测；

步骤6：将冒泡排序的算法应用到二维屏幕空间的标签冲突解决中，首先输入所有的候选标签集合，依据次序每次输入两个标签，当第N个标签与N-1个标签发生重叠时，调用第N-1个标签候选集合中的其他标签进行重叠测试，然后再与第N-2个标签进行重叠测试，当标签与之前的N-1个标签都不存在标签冲突后，放入第N+1个标签，直至所有标签之间都不存在冲突，输出相应的标签放置结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于候选标签评估的3D地图建筑物标注方法，其特征在于，结合3D场景多座建筑物标签冲突的需求，借鉴透视变换中的屏幕空间投影技术，将标签坐标系从三维笛卡尔坐标系转换为二维屏幕坐标系，通过标签中心点坐标判断两个标签是否相交来完成标签之间的重叠检测。

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