OpenDrive解析小结

OpenDrive解析小结 - Shaun's Space

　　接触并使用高精地图和 OpenDRIVE 已有一年的时间，简要写写 Shaun 对 OpenDRIVE 的一些认知。

OpenDRIVE 目前最新的版本的 1.6，下面主要结合 1.4，1.5 和1.6 版本一起看。

　　在 OpenDRIVE 中主要有两种坐标系统，一种是常见的 X/Y/Z 空间坐标系统，另一种是 S/T/H 坐标系统。其中 X/Y/Z 坐标系统常与地理信息的各种坐标系统一起使用，S/T/H 坐标系统是针对 OpenDRIVE 中道路参考线设定的一种局部坐标系统，在 OpenDRIVE 中称前者为 “inertial co-ordinates”，后者为 “track co-ordinates”（1.6 中直接为 Reference Line System）。除此之外，还有个局部坐标系 U/V/Z，该坐标系统系统是相对于 S/T/H 坐标系统平移旋转而来的。

对于旋转，以逆时针为正，heading 是指绕 z/h 轴旋转，pitch 是指绕 y/t 轴旋转，roll 是指绕 x/s 轴旋转。

对于曲率，逆时针延申的曲线曲率为正，顺时针延申的曲线曲率为负。

在 OpenDRIVE 中对于道路和车道的描述，有以下几个重要的概念：

• Reference Line。用来指示一条道路的骨架，是 S/T/H 坐标系统的依据，道路中各车道线需要参考这条线。
• Lanes。用来描述各车道以及各车道所属 Lane Section。
• Lane Offset。其意义在 OpenDRIVE 标准看起来很清除，但实际用起来非常模糊，offset 到底是只能偏移一个车道，或半个车道或多个车道，所属哪个 Lane Section，其意义不明，故下文解析篇将直接忽略该属性。
• Lane Section。可以简单理解为子道路，一个 lane section 中包含多条车道，一条道路包含多个 lane section。一个 lane section 中车道数是一个常数，所以对于存在 m 变 n 车道的一条道路，至少要划分为两个 lane section。
• Superelevation、Crossfall 和 Shape。用来表示路面倾斜程度。Superelevation 是整个路面侧向太高，即路面倾斜程度，Crossfall 在 1.6 中已被废弃，原因为 1.6 完善了 Shape，可以完全取代 CrossFall，甚至能做的更好，Shape 主要用来描述路面两侧车道的倾斜程度，通过三次曲线和线性插值可以精确到车道各点倾斜程度。
• Road Linkage。道路之间的连接关系，通过前继（predecessor）和后继（successor）建立道路之间连接关系，若一条路存在多个前继或后继，则其对应前继或后继应该为 Junction ，即目前的标准中暂不支持道路多前后继，1.5 中只支持车道多前后继，道路多前后继依然不支持。
• Junction。交汇处，通俗意义上的路口，主要包含 incomingRoad 和 connectingRoad。
• Junction Group。可以简单理解为交通环岛。
• Neighbors。相邻关系，和 Road Linkage 类似，一个是前后连接关系，一个侧面相邻关系。
• Surface。车道或道路表面材质，有 OpenCRG 则优先使用，没有则由应用程序自定义字符串。
• ....... 等等。还有一些冷门的元素暂时没用到，就不介绍了。

下面就是真正的解析内容了。

　　一些简单的就不介绍了，就介绍解析时需要注意的一些重点元素。

Road Geometry

　　geometry 信息可以说是 OpenDRIVE 中最重要的信息，没有之一。OpenDRIVE 中最重要的元素为 Road，而 Road 中最重要的是 Reference Line，而 geometry 正是用来描述 Reference Line 几何线条形状的信息。

　　首先 geometry 标签中共有 5 个属性，分别为 s （该段 geometry 沿参考线起始位置），x（该段 geometry 在 inertial system 下起始横坐标），y（该段 geometry 在 inertial system 下起始纵坐标），hdg（该段 geometry 在 inertial system 下起始弧度），length（该段 geometry 长度）。其次，geometry 共有 5 种线型，分别为 straight lines（直线），spirals（螺线），arcs（圆弧线），cubic polynomials（三次曲线），parametric cubic polynomials（参数化三次曲线），这 5 种线型分别由 geometry 下 5 种标签控制。解析 geometry 的要点在于：先不用管 geometry 标签中的属性，直接解析对应线型标签，需要满足两点：1、起始点坐标一定为 (0, 0)；2、起始点斜率，即导数也一定为 0。依据这两点正确解析完线型之后，再根据 hdg 旋转线型，根据 (x, y) 将线型平移到正确位置。 下面就具体看看这 5 种线型：

1. line，直线。没有任何属性，直接根据 geometry 中 (x, y) 和 hdg 就可得到直线方程。
2. spiral，螺线。有两个属性 curvStart（起始曲率），curvEnd（结束曲率）。螺线解析的代码已经由 OpenDRIVE 官方直接给出了，里面涉及到的数值计算方法就不详解了，直接看官方提供 API 的输入输出，输入有两个：s（从原点开始，螺线延展的长度），cDot（螺线的曲率关于 s 的一阶导数）；输出有 3 个：x（横坐标），y（纵坐标），t（该点的切线弧度）。解析螺线最大的问题应该就是如何得到这两个输入参数，由螺线的性质可以得到，螺线的曲率一定随着螺线的长度均匀变化的，换句话说，对于一条已知螺线，cDot 一定是常数。则 cDot=(curvEnd−curvStart)/lengthcDot=(curvEnd−curvStart)/length，其中 length 为 geometry 中的长度属性，下一步需要求出 s，由于已知螺线在原点处的曲率一定为 0，则 (curv - 0) / (s - 0) = cDot，即 s = curv / cDot。由此可得到螺线的各点坐标和切向方向，但由于解析线型需要满足上面说的两点，所以需要将螺线坐标以起始点进行平移和旋转，以满足起始点为原点，起始点切线弧度为 0，最后再将完成平移和旋转后的点根据 geometry 的属性进行旋转和平移以得到真正的坐标点。
3. arc，圆弧线。只有一个属性 curvature（曲率），可根据曲率直接得到圆的半径，在根据曲率的正负可得到该曲线是以顺时针延申还是逆时针延申，再根据解析线型需要满足的两点和 geometry 的属性可得到真正的 inertial system 中的点。
4. poly3，三次曲线，在 1.6 中已被废弃。精度要求低一点可直接插值计算，要求高一点则需要利用 length ，数值计算和二分法直接求出最大的 u，然后插值。
5. paramPoly3，参数化三次曲线。最有名的两个参数化三次曲线就是 Bezier 曲线和 Hermite 曲线，为满足解析线型需要满足的两点，一定有 au=0,av=0,bv=0au=0,av=0,bv=0，需要注意的是一般参数化曲线的参数取值范围为 [0,1][0,1]，即该标签最后一个属性 pRange="normalized"，若碰到特殊情况 pRange="arcLength"，则需要将 au,bu,…au,bu,… 等属性转化为参数取值范围为 [0,1][0,1] 时对应的属性。

最重要的元素 Geometry 的解析就是这样了，下面谈谈 Shaun 对基于三次曲线的一些元素的理解。

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　　比较重要的基于三次曲线的元素主要有 elevation（控制路面的高度），superelevation（道路侧面抬高弧度），crossfall（路面两侧弧度，已被废弃），shape（路面两侧形状，特殊，下文详细介绍），laneOffset（车道偏移量），border 和 width（特殊，下文详细介绍），这些元素所使用的三次曲线一般都基于道路参考线（特殊除外），即该三次曲线的横坐标一般为 s，纵坐标即三次曲线的值则为各元素的信息，这些三次曲线一般是分段描述的，即道路参考线上两个关键点的 s 之间必会生成对应的一段三次曲线，每一段三次曲线的横坐标取值范围都为 [0,poly3Length][0,poly3Length]，其中 ploy3Length 为该段三次曲线的长度。这些三次曲线段全部合起来则构成沿道路参考线的一条三次曲线，根据 s 计算三次曲线的取值得到对应的信息。

LaneOffset

　　laneOffset 用来指示的是所有车道沿参考线法线方向的偏移量，所有车道包括中心车道（centerLane），由于中心车道没有宽度，所以也可以叫道路中心线，这和道路参考线是两个概念，若 laneOffset 都为 0，则道路中心线和道路参考线重合。

Shape

　　路面两侧车道的高度，该元素虽然也是使用三次曲线进行描述的，但是该三次曲线的横坐标为 S/T/H 坐标中的 t，不是 s，不同的 t 得到不同的高度，该元素下可能存在多段三次曲线，这些三次曲线段是独立的，只是描述其属性 s 所在位置横截面的 shape，而没有完全指定 s 的横截面的 shape，则由两临近 s 的 三次曲线计算相同的 t 对应的高度然后线型插值得到（1.6 标准中插值的公式 Shaun 觉得有问题）。

border 和 width

　　之所以把这个两个元素放在一起写，是因为这两个元素描述的本质上是一个东西，都是车道边界所在的位置。同时，Shaun 还是想吐槽一下，作为一个既定的标准，完全不应该把这两个元素同时放出来，只需要放出一个即可，既然为标准就应该做到完全统一，至于具体用哪个是应用程序的事，但是出来的东西必须得唯一。border 是指车道边界到道路中心线在道路参考线法线上的投影，有正负之分，一般左边车道为正，右边车道为负，而 width 是指车道的宽度，这两者完全可以相互转换。虽然描述这两者的三次曲线是基于道路参考线 s 的，但是这个 s 是相对于 laneSection 标签中 s 属性的，即其真正沿道路参考线的 s' 应该为 s' = s + laneSection.s。

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　　至于Junction 的解析好像没什么需要注意的，就不写了，至于 1.5 中的 Virtual Junction，引入新的道路前后继描述方式，也新加了一个 virtual connection，解析时到也没有需要注意的，唯一需要注意是在应用程序中该如何利用这些信息。

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　　对于 Signal 和 Object，Shaun 觉得标准中强制规定 s > 0 同样是一件非常不合理的事情，既然能超出道路长度，只准正向超出，不能反向超出，这有点不讲道理。 Signal 和 Object 同样需要注意在应用程序中的用法，至于解析方面，需要注意的应该就是 Object 中 outline 下面的 cornerRoad 和 cornerLocal。

cornerRoad 和 cornerLocal

　　这两个元素描述的本质上也是一个东西，都是面域对象多边形边界上的轮廓点，虽然 1.5 中引入了复杂多边形的概念，即有内轮廓和外轮廓，但 cornerRoad 和 cornerLocal 还是一样的解析。cornerRoad 是直接相对于道路参考线的坐标，即将 X/Y/Z 坐标直接转换为 S/T/H 坐标得到的，所以直接解析转换就可得到该点的真正坐标。而 cornerLocal 的解析则相对要麻烦些，首先根据 object 标签中 s 和 t 属性计算得到 Object 的位置，以道路参考线上 s 所在的位置建立 S/T/H 坐标系统，将该坐标系统平移到 Object 所在位置，即该 S/T/H 系统以Object 的位置为原点，将 cornerLocal 上 u,v,z 属性带入该坐标系统计算出真正的坐标。由于 Object 中的 roll,pitch,hdg 属性，所以还需要对坐标以 Object 的位置为中心进行相应旋转才能得到真正 X/Y/Z 坐标系统中坐标。

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好了，以上就是 Shaun 觉得在解析 OpenDRIVE 时需要注意的一些地方了。

　　整个地图行业本来就存在很强的壁垒，国内更是如此，而高精地图作为专为自动驾驶服务的地图，国内估计更是少有人接触过。

　　OpenDRIVE 虽作为一种高精地图标准，但离那种被广泛认可关注的标准还有很长一段距离，虽然它发展了十几年，但奈何整个行业才算是起步阶段，所以之前其一直发展的十分缓慢，之前用 OpenDRIVE 较多的应该是交通仿真领域，这个领域同样存在很强的壁垒，要在这种领域得到整个行业的认可是一件非常困难的事，因为其本来就存在一套自己的格式，而想要应用别人的标准，就势必需要逐渐抛弃自己的格式，这对企业来说需要下很大的决心。

　　就 Shaun 目前所知，行业内虽然有许多企业使用 OpenDRIVE 标准，但基本都是自己魔改后的标准，原因在于 OpenDRIVE 标准还没做到真正成为标准的地步，虽然其一些基本元素具备，但很有很多元素是完全缺失或不完善的，更重要的是，其可视化程序竟然不开源，在整个计算机领域内，还从没见过一种标准没有其开源实现的东西，没有相应的源码，只靠文字来理解难免会产生歧义，各大厂商自然就会选择实现自己的 OpenDRIVE，很难统一。历史上一些经典的论文和算法，都有其相应的开源实现，没有开源实现的论文和算法基本都淹没在了历史长河之中。所以没有开源实现，在计算机领域内很难真正推广开，就很难成为真正的标准。综上，OpenDRIVE 的发展任重而道远啊！希望现在在 ASAM 手中能发展的更快更完善些吧。