Unity解析OpenDRIVE地图数据，并生成路网模型

文章目录

一、引言
二、OpenDrive概述
三、OpenDrive重要节点介绍
- 1.建模用到的主要节点及属性
- 2.geometry节点
- 3.lane的width节点
四、根据解析得到的数据创建道路模型
- 1.把reference line表示为Bezier曲线
- - （1）Bezier曲线介绍
  - （2）获取一条road reference line的信息
  - （3）根据reference line信息生成Bezier曲线数据
  - - A. Line
    - B. Arc
- 2.把Bezier曲线渲染为Mesh
五、沿着道路随机生成建筑物
六、给道路添加程序纹理

一、引言

前置知识：

Unity解析OSM数据，并生成简单模型

这次参考了两个开源项目：

OpenDRIVE2Unity3D
OpenDrive-Unity-Renderer

第二个项目比较好，是直接用的OpenDRIVE原本的格式。第一个项目用的数据经过处理，直接看不出来是怎么解析源数据的，生成模型的方法也许可以看看。

以下内容都是对OpenDrive-Unity-Renderer的解读。本次使用Unity解析OpenDRIVE生成路网的模型如下：

有路网和建筑模型，车跑上去效果还行，但是交叉口没有处理，还是模型重叠的状态。

二、OpenDrive概述

OpenDRIVE ®是一个开放的文件格式，用于道路网络的逻辑描述。它是由一组仿真专业人员开发并维护的，并得到了仿真行业的大力支持。它的首次公开露面是在2006年1月31日。

1.为什么要使用OpenDRIVE ®？

OpenDRIVE ®是独立于供应商，并且可以免费使用
OpenDRIVE ®包含了所有的主要功能路网
OpenDRIVE ®是一个具有广泛的国际用户群
OpenDRIVE ®是一个管理良好的格式，发展过程透明

OpenDRIVE被开发出来是为了创建一种标准的地图数据格式，方便在各种驾驶仿真模拟器中进行数据交换。

2. OpenDRIVE的特征：

XML格式
层次结构
道路几何形状的解析定义：（平面元素，横向/垂直轮廓，车道宽度等）
各种类型的车道
连接点和连接点组
通道的逻辑互连
标志和信号，包括依存关系
信号控制器（例如用于路口）
路面特性（另请参见OpenCRG）
道路和路边物体
用户可定义的data beads
等等

3. OSM和OpenDRIVE的比较：

可以看到，OpenDRIVE也是一种XML文件，是一种矢量地图。只不过，相比OSM地图，它包含的信息更多，结构也更复杂。

4.文件下载

这里可以下载OpenDRIVE的文件规范，对每个节点、每个节点的每个属性都做了详细的解释。还可以下载示例的OpenDRIVE数据。

三、OpenDrive重要节点介绍

这是我做的一个XML节点和属性的导图。“【】”表示这个节点一般有多个。

在OpenDRIVE中，所有的道路都由一条定义基本几何图形(弧线，直线等)的reference line组成。沿着reference line，可以定义道路的各种属性。例如:高程轮廓线、交通标志等。

可以在思维导图中看到，road节点是重点，其中geometry节点就定义了reference line，而lane节点重点定义了各车道的属性。

通过指定与reference line的横向距离来创建单独的车道。reference line通过连接clothoids(又名欧拉螺旋)或多项式来构建。

请注意圆弧段和直线是clothoids的特殊情况。使用clothoids的优点是，沿着reference line的曲率随路径长度线性变化，这就是为什么大多数道路都是由clothoids构造的。

三种线的曲率变化：

1.建模用到的主要节点及属性

在项目中直接把用到的属性划个重点，接下来我们主要就看看这些属性是什么意思。

geometry.x
geometry.y
geometry.length
geometry.hdg
geometry.arc.curvature
laneSection.right.lane[i].width.a

2.geometry节点

一连串道路 geometry的节点在x/y平面(plan view)上定义了道路reference line的layout。这些geometry节点必须按照升序排列(i.e. increasing s-position). 一个子节点包含了具体的geometric元素的数据。OpenDRIVE现在支持五种geometric元素：

straight lines
spirals
arcs
cubic polynomials
parametric cubic polynomials

geometry节点的属性：
这里的s-coordinate是指：

inertial是指：

我们看一个具体的例子：

这里的reference line的类型是line，并且起始点的坐标是(x,y)=(512.5,-2250)，它的heading朝向的弧度约是1.57，line的长度为583。我们知道了道路参考线的起点、朝向、长度就可以确定这个参考线的位置了。

3.lane的width节点

lanes节点由多个laneSection节点组成。若不定义新的lane section节点，它定义的数值就始终有效，适用于接下来的road（Each lane section is valid until the next lane section is defined）。所以每条road至少有一个从s=0.0m起始的lane section。

一个lane section至少包含left/center/right三种节点中的一个。lane节点被包含在left/center/right节点中。车道用数字ID来区分，这些ID有如下特点：

唯一
连续 (i.e. without gaps),
starting from 0 on the reference line
向左侧递增 (positive t-direction)
向右侧递减 (negative t-direction)

每条road的lane的数量是不限的。 reference line被定义为 lane zero，且不允许有width节点，因为它的宽度总为0。

除了center里面的lane，其他lane至少有一个width节点。和lane section一样，如果不定义下一个width节点的话，它定义的数值就一直适用于接下来的lane。如果一个lane有多个width节点，它们必须按照升序排列。

width节点的属性如下：

看看具体数据：

上述的lane的width节点中，只有属性“a”的值不为0。观察了下整个xml文件，发现几乎所有的width节点的属性都一样，只有a有值。那么a的含义是什么呢？

查文档后发现，在给定点处的实际宽度是用三阶多项式函数计算的，这个函数看起来像这样：width=a+b∗ds+c∗ds2+d∗ds3width = a + b*ds + c*ds^2 + d*ds^3width=a+b∗ds+c∗ds2+d∗ds3其中，width就是给定点（位于reference line上的点？）处的车道宽度。a,b,c,d是常数系数。ds是the distance along the reference line between the start of the entry and the actual position.总体来讲，如果车道宽度变化比较复杂，那么计算也比较复杂。但是在本xml文件中，对车道的宽度做了简化，所有宽度都为10，ds相乘的系数都为0。

四、根据解析得到的数据创建道路模型

对于每条道路，已知它们的参考线起点坐标、参考线方向、长度。在这个xml文件中只有两种参考线类型，line和arc。我们可以把line和arc都用贝塞尔曲线来表示。根据参考线的信息，得到相应贝塞尔曲线上点的坐标，从而确定最终的模型顶点，渲染出模型。

（PS：其实我们也可以不用贝塞尔曲线，使用和OSM数据生成模型一样的方法。因为不管是line还是arc，实际上都是由线段拼接表示的，我们得到线段的顶点后，完全可以直接用这些顶点生成Mesh。）

按照这个思路，我们可以创建一个脚本BezierCurvePath，用来单独绘制每条road。在绘制road时，分为两个步骤：首先把这条road的参考线转为贝塞尔曲线上的点；再根据贝塞尔曲线上的点确定模型顶点，进行渲染。

1.把reference line表示为Bezier曲线

（1）Bezier曲线介绍

在这个网站可以调整控制点，并实时看到Bezier曲线的效果。

搬一个数学总结：

（2）获取一条road reference line的信息


public List<BezierCurveData> curveDatas = new List<BezierCurveData>();void Start(){float length_s = 0f,x = 0f, y = 0f;float angle = 0f,curvature = 0f,patchWidth = 0f; int lanes = 0;       string path = Application.dataPath+ "/XMLFiles/cloverleaf.xml";XmlSerializer serializer = new XmlSerializer(typeof(OpenDRIVE));string xml = File.ReadAllText(path);using (var stream = new MemoryStream(Encoding.UTF8.GetBytes(xml))){openDrive = (OpenDRIVE)serializer.Deserialize(stream);//这个脚本只能处理一个road，所以设置了一个roadVariable来指定road的index//reference line起点的x坐标x = openDrive.roads[roadVariable].plainView.geometry.x;//reference line起点的y坐标y = openDrive.roads[roadVariable].plainView.geometry.y;//reference line的长度length_s = openDrive.roads[roadVariable].plainView.geometry.length;//reference line 的heading角度angle = openDrive.roads[roadVariable].plainView.geometry.hdg;//生成道路模型的宽度：车道数x10cubeThickness = openDrive.roads[roadVariable].lanes.laneSection.right.lane.Length * 10;           //如果reference是arc，存储曲率try    {curvature = openDrive.roads[roadVariable].plainView.geometry.arc.curvature;}catch (NullReferenceException e){}}CityGenerator(x, y, length_s, angle, curvature);}

（3）根据reference line信息生成Bezier曲线数据

A. Line

void CityGenerator(float x, float y, float len, float angle, float curvature)
{   float x_end = 0.0f, y_end = 0.0f; if (curvature != 0.0f) {......}else{//根据length和theta角度算出endPosx_end = len * Mathf.Cos (angle);y_end = len * Mathf.Sin (angle);//按照长度，将line等分为3段，这样就可以得到4个点了float add_pointx = x_end / 3, add_pointy = y_end / 3;float point1x, point2x, point3x, point4x;float point1y, point2y, point3y, point4y;point1x = x;point2x = point1x + add_pointx;point3x = point2x + add_pointx;point4x = point3x + add_pointx;point1y = y;point2y = point1y + add_pointy;point3y = point2y + add_pointy;point4y = point3y + add_pointy;//定义Bezier曲线的4个控制点var curve = new BezierCurveData ();curve.points = new Vector3[4]{new Vector3 (point1x, 0.1f, point1y),new Vector3 (point2x, 0.1f, point2y),new Vector3 (point3x, 0.1f, point3y),new Vector3 (point4x, 0.1f, point4y)};         curveDatas.Add (curve);}
}

B. Arc

关于曲率的介绍

先搞懂这些角度、点的含义：

在下面这张图中，我们可以看到坐标系原点在右下角，x轴和z轴垂直，构成了水平面，这和Unity场景中的俯视图看到的坐标系是一样的。在opendrive的数据中，reference line的起点所在坐标系也是平面坐标系，是用x和y来表示的，这里的y和unity中的z等同，都是水平面上与x轴垂直的轴。

我自定义了一个reference line，它的xml节点属性值如下：起点的坐标为(x,y)=(0,0)，hdg=1.57，转换为角度为90度，这条arc的弧长为1374m。这里的hdg，指的就是这条弧在起点处的切线，与x轴的夹角。从图上也可以看出来是90度。

<road id="3" name="R3" length="1374.446786" junction="-1"><planView><geometry s="0.0" x="0" y="0" hdg="1.570796" length="1374.446786"><!-- hdgDegrees="90.0"--><arc curvature="-0.001143" /><!-- radius="875.0"--></geometry></planView><lanes><laneSection s="0.0"><right><lane id="-1" type="driving" level="false"><width sOffset="0.0" a="10.0" b="0.0" c="0.0" d="0.0" /></lane></right></laneSection></lanes>
</road>

在下面这段代码中，startAngle就是hdg的值，roadLength就是弧长，radius根据曲率的绝对值计算得到，值为875,（在xml的注释中已经写出）。如果曲率的值小于0，那么这条arc的方向就是顺时针的。centerX和centerY是arc所在圆的圆心的横纵坐标。

if (curvature != 0.0f) {float startAngle = angle;float roadLength = len;float radius = 1.0f / Mathf.Abs (curvature);bool clockwise = curvature < 0.0f;float centerX = x - radius * Mathf.Cos (startAngle - HALF_PI) * (clockwise ? -1.0f : 1.0f);float centerY = y - radius * Mathf.Sin (startAngle - HALF_PI) * (clockwise ? -1.0f : 1.0f);......
}

计算圆心需要考虑startAngle、clockwise的值，我们就用最简单的图上的这个arc为例：startAngle=HALF_PI，clockwise为true，所以centerX=x−radius∗Cos(0)∗(−1)=x+radiuscenterX=x-radius*Cos(0)*(-1)=x+radiuscenterX=x−radius∗Cos(0)∗(−1)=x+radius centerY=y−radius∗Sin(0)∗(−1)=ycenterY=y-radius*Sin(0)*(-1)=ycenterY=y−radius∗Sin(0)∗(−1)=y也就得到了图上所示的center点的坐标。

在得到如上信息后，我们可以考虑如何创建多个折线段来表示这么长的弧线，每个折线段可以用一条贝塞尔曲线来表示，该贝塞尔曲线的中间两个点分别和起点终点重合。可以用下面getNewCurve函数来构建具体的贝塞尔曲线：我们只需要输入该折线段的起点和终点的vector。

BezierCurveData getNewCurve(Vector3 prev_vector, Vector3 end_vector)
{var curve_data = new BezierCurveData();curve_data.points = new Vector3[4]{prev_vector, prev_vector,end_vector, end_vector};return curve_data;
}

为了获得这些小折线段的起点（start_vector ）和终点（second_vector），我们可以使用一个while循环，当这些小折线段的总长度没有达到弧线长度时，就不断更新start_vector 和second_vector。

 ......//将 r 减去一个车道宽度（10）float r = radius * (clockwise ? 1.0f : -1.0f);   Vector3 first_vector = new Vector3 ();//定义整个 arc 的第一个折线段起点if (roadLength < 750) {r = -r;first_vector = getCurvePart (startAngle, r - 10, centerX, centerY);} elsefirst_vector = getCurvePart (startAngle, r - 10, centerX, centerY); //these are two vectors starting and ending point of the curvevar end_vector = new Vector3 (x, 0.01f, y);var start_vector = first_vector;float distance = 0f;//折线段总长度while (true) {//每次增加一点角度，使得second_vector不断向end_vector靠近。startAngle = startAngle + 0.05f;var second_vector = getCurvePart (startAngle, r - 10, centerX, centerY);var curve_new = new BezierCurveData ();//循环的结束条件：总长度超过弧长distance += Vector3.Distance (start_vector, second_vector);if (distance >= roadLength) {curve_new = getNewCurve (start_vector, end_vector);curveDatas.Add (curve_new);start_vector = second_vector;break;}curve_new = getNewCurve (start_vector, second_vector);curveDatas.Add (curve_new);start_vector = second_vector;}
}

在每次循环中，递增startAngle使得second_vector不断向end_vector靠近，这是通过getCurvePart函数实现的：(start_x,start_y)构成的向量和(center_x,center_y)构成的向量相加，得到我们的目标向量（所代表的的点在arc上）。

Vector3 getCurvePart(float start_angle, float r, float center_x, float center_y)
{float start_x = 0.0f,start_y = 0.0f;start_x = r * Mathf.Cos(start_angle);start_y = r * Mathf.Sin(start_angle);return new Vector3(start_x + center_x, 0.1f, start_y + center_y);
}

2.把Bezier曲线渲染为Mesh

得到curveData数组后，我们遍历每一条曲线，生成一个curve游戏对象，再生成具体的Mesh，作为curve游戏对象的子物体。对于line来说，curveData数组只有一个元素，对于arc来说，有很多个元素。

void CreateMesh()
{for (int i = 0; i < curveDatas.Count; i++){if (curveMeshes.Count > i){    //此函数会在Update中实时调用，已经生成对象后就直接调用对象的CreateMesh函数curveMeshes[i].CreateMesh();}else{ //首次遍历时，先创建curveMesh对象实例var curveMesh = BezierCurveMesh.Instantiate(i, this);curveMeshes.Insert(i, curveMesh);curveMesh.CreateMesh();}}
}

如果想知道具体是怎么生成的Mesh，可以参考这个开源项目：unity-procedural-mesh-bezier-curve。本项目的这部分代码就是引用于它（也可以在本项目中直接查看相关代码，不过这部分和路网生成关系不大，就不放在这里解读了）。

五、沿着道路随机生成建筑物

（1）准备好建筑物的prefab共15个

（2）沿着道路随机摆放建筑物

可以观察到：建筑与路面之间有一定的距离；建筑不会摆放到道路上去；建筑都朝向路面。

关于实现方法，简单来说就是要分成line和arc类型来处理。在处理每种路面的时候也要考虑线段的方向，从而确定房屋摆放的位置。这部分细节比较多，如果需要优化或者修改，可以详细看看。

六、给道路添加程序纹理

道路模型没有按照车道区分，所以多车道其实也是一个模型。而单车道和多车道，外表是不同的。

本项目对于单车道和多车道使用的是同一张图片，但是对于多车道，在其上绘制了白色的线，作为新的贴图。

void Texture1(float x, float y, float len, float angle, float curvature, float patchWidth, int lanes,float []lane)
{Texture2D texture = new Texture2D((int)patchWidth, (int)len);Material m_Material;//Fetch the Renderer from the GameObjectRenderer m_Renderer = GameObject.FindGameObjectWithTag("Road").GetComponent<Renderer>();m_Renderer.material = new Material(Shader.Find("Standard"));m_Material = m_Renderer.material;//Make sure to enable the Keywordsm_Material.EnableKeyword ("_NORMALMAP");m_Material.EnableKeyword("_DETAIL_MULX2");m_Material.SetTexture("_MainTex", textures);m_Material.SetFloat ("_Metallic", 0.3f);m_Material.SetFloat ("_Metallic/_Smoothness", 0.0f);//【绘制白色车道线】int a1 = (int)lane[0];int j = 0,b1=0;for (int i= 1; i< lanes; i++) {int l=0;while(l<len){b1 = l+80;//每条短线长 80for ( j = l; j < b1; j++)       {Color32 color = new Color32(255,255,255,255);texture.SetPixel (a1, j, color);texture.filterMode = FilterMode.Point;              }           l=j+100; //短线间间隔 100}a1 = a1 + (int)lane[i];}m_Material.SetTexture("_DetailAlbedoMap", texture);m_Material.SetTextureScale("_MainTex", new Vector2(1, 2));materials = m_Material;texture.Apply();
}