从车道级导航说起
前几天在B站看到某地图推出车道级导航功能，可以高清展示真实道路场景，显示当前道路的车道数量、地面标识标线、出入口、特殊车道等。同时，结合高清信号，还可以实时显示用户的车道位置。具体的导航画面如下图所示：
对于复杂的立交桥，则更加直观：
当然，说这些内容不是给地图APP做广告，而是想由表及里地分析这种技术背后的原理。作为一个三维GIS从业者，我比较好奇的是这种车道级道路模型是怎么生成的。坦白说，刚开始我有点迷惑，毕竟我们常用的路网数据不可能生成这么精细的模型。不过，只要把思路跳出GIS圈子，也就豁然开朗了。
现在各大汽车厂商都在研发自动驾驶技术，而自动驾驶技术的一个重要组成部分就是高精度地图。高精度地图的制作包括四个步骤：
地图采集 由装备有激光雷达、相机、GPS、IMU等传感器的数据采集车完成，采集的内容包括：
激光点云、图像、GPS数据、IMU数据等。
地图制作 对采集的数据进行加工，简单来说就是通过激光雷达扫描整个街道，建立整个街道的三维模型。
地图标注 在点云地图的基础上，标注出车道线信息、交通标志信息、红绿灯信息等，得出道路的结构化信息。
地图保存 把标注好的信息保存为固定的格式。
由此可见，高精度地图中包含的道路信息是远高于一般的路网数据的，由高精度地图生成车道级道路模型是完全没有问题。至此，我们的疑问就解开了，那我们就探讨下一个问题：这种模型与实景三维模型，如倾斜摄影测量模型，有什么区别？
其实我觉得最大的区别在于表达上：
倾斜摄影测量用三角面片作为图元，整个模型就是一张巨大的三角网
车道模型则是以矢量存储，用矢量面的集合来表达三维对象
用一系列面的集合来表达三维实体，在几何造型领域中，称为B-Rep表示法。相比较于三角网，B-Rep的表达更加紧凑，可有效节省模型存储的数据量。
经常看我文章的读者应该知道，我一直说倾斜摄影测量并不是一种好的建模技术。原因在于：
倾斜摄影测量生成的模型中有大量的变形，近看的视觉效果不好
倾斜摄影测量生成的模型数据量非常大，三维引擎无法加载超大场景
因此，我一直认为现在的倾斜摄影测量技术不会长久，肯定会被更新的技术所取代。倾斜摄影测量用图像建模：先由图像匹配生成点云，然后对点云构网生成三维模型。可以认为倾斜摄影测量是由点作为基元来完成三维场景的建模。然而，图像中不仅包含点，还包含线、面。线是点的聚合，而面是线的聚合。点是零维，线是一维，面是二维。这种更高维度的几何对象所包含的信息更加丰富，也更加适合作为三维重建的基元。
然而，在图像中检测线和面具有其本身的复杂性，这也是为什么没有基于线和面建模的产品推出。但是，对于基于线的三维重建却早已有人在探索，下面就和大家分享基于线特征的三维重建相关进展，希望能给大家带来一些启迪。
基于直线的三维重建
从二维图像重建出三维场景，首先要解决的就是计算每一张图像对应的相机参数，包括内参和外参，也就是运动恢复结构算法（SfM）。然后，需要计算图像中二维几何特征的三维坐标，以倾斜为例，就是计算图像像素点的三维坐标，即生成密集点云的过程。
延伸到基于直线的三维重建，首先也要恢复每一张图像的相机参数，但这里的计算就不再是基于图像特征点，而是基于图像特征线进行计算。与特征点不同，基于特征线的SfM算法并非基于坐标进行计算，而是基于直线的方向。简单来说，就是在图像中检测直线，然后对直线进行匹配，找到相邻图像中的同名直线，最后根据同名直线在各图像中的方向来计算相机参数。
对基于直线的运动恢复结构算法感兴趣的读者可以去看Github项目：GitHub - ySalaun/LineSfM，其主页也有算法对应的论文。
有相机参数就可以计算图像中各直线的三维坐标，一条直线有起点和终点，计算起点和终点的坐标也就完成直线的三维重建。但是这里存在一个问题：成像过程存在畸变，两张相邻图像中检测到的同名直线，其起点和终点并不一定相互对应。这样情况下，即使知道相机参数，也难以用三角测量来准确计算直线的端点坐标，这也是直线三维重建的核心难题之一。
利用直线做三维重建的研究也有一个开源项目：GitHub - manhofer/Line3Dpp: Line3D++ - Multi-View Stereo using Line Segments。不过，这个项目并没有用直线来计算相机参数，仍然用特征点来计算相机参数，然后再重建图像特征线。其实验中一些截图如下，对于一栋建筑物重建一万多条线段，可以大致看出建筑物轮廓：
当然，图中的实验结果明显离实用还有一段距离，大家也不要失望。毕竟做研究就是不断向前探索，后人在前人的基础上不断迭代，算法才能慢慢走向实用。况且这几篇文章的时间都比较早，距今已经好几年过去，肯定有一定的局限性。
另外一种直线重建的思路是从点云中提取直线，这里的点云可以是图像匹配生成的密集点云，也可以是扫描得到的激光点云。在ICLR 2021的会议上，老牌强校苏黎世理工就有一篇文章是从点云中重建线框模型，并且，从论文中的实验可以看出，算法的质量还不错：
一般而言，这种重建质量较高的算法，其实现肯定不是传统方法，而是基于深度学习来做的。果不其然，其算法架构图如下。从图中可以看出，整个算法的逻辑还是比较清晰的。先从点云中提取位于角落的一个个点云块（patch），然后在每一个patch中预测一个顶点，代表模型的一个角点，最后把这些角点连起来生成线框模型。
这篇文章所用的点云显然是激光点云，扫描质量很高，且分割的非常干净，所以能够取得比较理想的结果。可惜，算法还是面向小型对象，缺少对大型对象重建验证，如建筑物等。论文名为：《PC2WF: 3D Wireframe Reconstruction from Raw Point Clouds》，有兴趣的读者可以去深度了解。
直线检测算法的研究进展
从上一节中几篇论文中不难看出，较新的文章中算法完成度更高。这并不是说现在的人比以前的人更加聪明，而是刚好卡在一个时间节点两边：深度学习应用。前两篇文章都是采用传统方法做的，当时都面临一个很难的问题：在图像中检测直线。虽然有诸如霍夫变换、LSD、ED-LINE这些算法，但鲁棒性都比较差。随着大家把深度学习引入直线检测研究中，取得的进展还是比较明显的，以下是我从这两年的文章中找到截图：
当然，除了在图像中检测直线，还有人研究在点云中检测直线，以下就是其论文实验中的一些截图，看起来是不是比Line3D进步很多呢？当然，两种方法的实现不同，Line3D是从图像重建直线，而这是从点云中检测直线，并没有可比性。不过，单从实验结果看，从点云中提取的直线更加完整，鲁棒性应该更强。
总结与展望
基于特征点的重建和基于特征线的重建是两条不同的道路，两者也各有优劣。目前来看，基于特征点的重建方法更加鲁棒，这也是其得以大规模推广应用的原因。但另一方面，点云生成的模型冗余度非常高，且包含大量的变形。基于特征线的重建方法能够以更加紧凑的方式表达三维模型，解决现在三维模型数据量爆炸的难题，但目前的发展还处于早期，离实用还有一段距离。
自从毕业之后，我就不再做三维重建的方向，不过对于该领域的研究进展一直有持续关注，也算是心中的一个执念了。撇开具体的应用不谈，我觉得现在三维GIS值得研究的方向主要有三点：
建模方法：
探索倾斜摄影测量之外的大场景建模方法，从根本降低三维模型数据量
数据轻量化：
优化三维模型，缓解三维模型数据量暴增的问题
数据可视化：
开发能够支撑超大场景的三维引擎
其中，第（1）点可能最难，需要长期的探索和研究；第（3）点需要有良好的团队，从数据存储、组织、调度、渲染等方方面面进行优化，方才可能取得一定的成果；只有第（2）点的门槛最低，也是目前比较容易取得突破的方向，但终归是治标不治本，再好的优化算法也是有局限性的，不可能解决根本问题，否则就不是优化算法，而是建模算法了。
文章转自：GIS启示录
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