【转至公众号】Apollo高精地图解析

1 Apollo高精地图规范

  关于Apollo高精地图，开发者有很多关心的问题。这篇文章会基于目前Apollo开放的地图数据部分，解析高精地图的数据格式。

Apollo地图格式对OpenDRIVE都有哪些改动，改动的原因或初衷是什么，改动有什么优势？

  OpenDRIVE本身设计面向的应用是仿真器，自动驾驶需要更多的信息OpenDRIVE并没有完全提供，所以我们对OpenDRIVE的标准做了部分改动和扩展。
  主要改动和扩展了以下几个方面：一是地图元素形状的表述方式。以车道边界为例，标准OpenDRIVE采用基于Reference Line的曲线方程和偏移的方式来表达边界形状，而Apollo OpenDrive采用绝对坐标序列的方式描述边界形状；二是元素类型的扩展。例如新增了对于禁停区、人行横道、减速带等元素的独立描述；三是扩展了对于元素之间相互关系的描述。比如新增了junction与junction内元素的关联关系等；除此之外还有一些配合无人驾驶算法的扩展，比如增加了车道中心线到真实道路边界的距离、停止线与红绿灯的关联关系等。改动和扩展后的规格在实现上更加的简单，同时也兼顾了无人驾驶的应用需求

1.1 格式

  百度高精地图数据格式采用（XML）文件格式的数据组织方式，是基于国际通用的OpenDrive规范，并根据百度自动驾驶业务需求拓展修改而成。Apollo高精地图文件的整体结构如下所示：

1.2 坐标

  百度高精地图坐标采用WGS84经纬度坐标表示。WGS84为一种大地坐标系，也是目前广泛使用的GPS全球卫星定位系统使用的坐标系。

1.3 车道

  道路的reference line 存储在ID为0的车道中，其他车道只存储当前车道的一个边界。例如，reference line右侧的车道只存储车道的右侧边界。

  车道 ID 的命名规则:

1. lane section 内唯一
2. 数值连续的
3. reference line 所在 lane 的 ID 为 0
4. reference line 左侧 lane 的 ID 向左侧依次递增 (正t轴方向)
5. reference line 右侧 lane 的 ID 向右侧依次递减(负 t 轴方向)
6. reference line 必须定义在< center >节点内

  车道总数目没有限制。Reference line 自身必须为 Lane 0。

1.4 路口区域（Juction）

  基本的原理比较简单，路口区域用Junction结构表达。在Junction内，incoming Road通过Connecting Roads与out-going道路相连。下图展示了一个比较复杂的路口：

2 高精地图在Apollo的存在形式

  在Apollo发布的Docker镜像中，也包含了地图的部分。Apollo在启动时，你可以按照如下方式为启动的镜像挂载地图：

apollo@baidu:~/apollo$ bash docker/scripts/dev_start.sh --map sunnyvale_big_loop

  如果不指定挂载的地图，默认挂载以下地图：

map_volume-sunnyvale_big_loop-latest>
map_volume-sunnyvale_loop-latest

  一段道路的相关自动驾驶地图可以放置在如下结构的目录中：

sunnyvale_big_loop
├── background.jpg
├── background.png
├── base_map.bin
├── base_map.lb1
├── base_map.txt
├── base_map.xml # Defined by FLAGS_base_map_filename
├── default_end_way_point.txt # Defined by FLAGS_end_way_point_filename
├── grid_map
├── local_map
├──map.json
├── routing_map.bin # Defined by FLAGS_routing_map_filename
├── routing_map.txt
├── sim_map.bin # Defined by FLAGS_sim_map_filename
├── sim_map.txt
└── speed_control.pb.txt

  可以将可用地图文件名指定为备选列表：

--base_map_filename="base.xml|base.bin|base.txt"

  然后Apollo会找到第一个可用的文件加载。一般来说，按照以下扩展顺序加载：

x.xml # An OpenDrive formatted map.
x.bin # A binary pb map.
x.txt # A text pb map.

2.1 base_map, routing_map和sim_map之间的差异

1. base_map是最完整的地图，包含所有道路和车道几何形状和标识。其他版本的地图均基于base_map生成。
2. routing_map包含base_map中车道的拓扑结构，可以有以下命令生成：

dir_name=modules/map/data/demo # example map directory
./scripts/generate_routing_topo_graph.sh --map_dir ${dir_name}

3. sim_map是一个适用于Dreamview视觉可视化，基于base_map的轻量版本。减少了数据密度，以获得更好的运行时性能。可以由以下命令生成：

dir_name=modules/map/data/demo # example map directory
bazel-bin/modules/map/tools/sim_map_generator --map_dir=${dir_name} --output_dir=${dir_name}

2.2 高精地图在Apollo中的流转形式

  xml格式的地图见modules/map/data/sunnyvale_big_loop/base_map.xml文件。那接下来我们就看下从XML解析到proto的过程。

XML解析为Proto

  主要是由方法opendrive_adapter.cc中的以下方法解析并读取：

modules/map/hd_map/opendrive_adapter.cc
OpendriveAdapter::LoadData(const std::string& filename,apollo::hdmap::Map* pb_map)

  解析的过程主要分为以下四个过程：

1. 根目录
2. header
3. 道路
4. 路口

  等节点的获取，具体的方法可以参考。

系统内格式

  不管原始数据格式为什么，在Apollo内部的数据地图的格式为proto。以下为Apollo高精地图的对象定义：

modules/map/proto/map.proto
// This message defines how we project the ellipsoidal Earth surface to a plane.
message Projection {
  // PROJ.4 setting:
  // "+proj=tmerc +lat_0={origin.lat} +lon_0={origin.lon} +k={scale_factor} +ellps=WGS84 +no_defs"
  optional string proj = 1;
}

message Header {
  optional bytes version = 1;
  optional bytes date = 2;
  optional Projection projection = 3;//坐标系转换
  optional bytes district = 4;
  optional bytes generation = 5;
  optional bytes rev_major = 6;
  optional bytes rev_minor = 7;
  optional double left = 8;
  optional double top = 9;
  optional double right = 10;
  optional double bottom = 11;
  optional bytes vendor = 12;
}

message Map {
  optional Header header = 1;

  repeated Crosswalk crosswalk = 2;// 人行道
  repeated Junction junction = 3;//路口区域
  repeated Lane lane = 4;//车道
  repeated StopSign stop_sign = 5;//停止线
  repeated Signal signal = 6;//信号灯
  repeated YieldSign yield = 7;//让路标志
  repeated Overlap overlap = 8;//重叠区域
  repeated ClearArea clear_area = 9;//禁停区域
  repeated SpeedBump speed_bump = 10;//减速带
  repeated Road road = 11;//道路
}

  其中重点介绍车道与路口部分。
  如前文所述，Apollo高精度地图OpenDrive采用绝对坐标序列的方式描述边界形状，依次为基础生成直线或类似直线的对象：

modules/map/proto/map_geometry.proto
// Polygon, not necessary convex.
message Polygon {
  repeated apollo.common.PointENU point = 1;
}

// Straight line segment.
message LineSegment {
  repeated apollo.common.PointENU point = 1;
}

// Generalization of a line.
message CurveSegment {
  oneof curve_type {
    LineSegment line_segment = 1;
  }
  optional double s = 6;  // start position (s-coordinate)
  optional apollo.common.PointENU start_position = 7;
  optional double heading = 8; // start orientation
  optional double length = 9;
}

// An object similar to a line but that need not be straight.
message Curve {
  repeated CurveSegment segment = 1;
}

2.3 道路Road

modules/map/proto/mao_road.proto
message BoundaryEdge {
  optional Curve curve = 1;
  enum Type {
    UNKNOWN = 0;
    NORMAL = 1;
    LEFT_BOUNDARY = 2;
    RIGHT_BOUNDARY = 3;
  };
  optional Type type = 2;
}

message BoundaryPolygon {
  repeated BoundaryEdge edge = 1;
}

// boundary with holes
message RoadBoundary {
  optional BoundaryPolygon outer_polygon = 1;
  // if boundary without hole, hole is null
  repeated BoundaryPolygon hole = 2;
}

message RoadROIBoundary {
  optional Id id = 1;
  repeated RoadBoundary road_boundaries = 2;
}

// road section defines a road cross-section, At least one section must be defined in order to
// use a road, If multiple road sections are defined, they must be listed in order along the road
message RoadSection {
  optional Id id = 1;
  // lanes contained in this section
  repeated Id lane_id = 2;
  // boundary of section
  optional RoadBoundary boundary = 3;
}

// The road is a collection of traffic elements, such as lanes, road boundary etc.
// It provides general information about the road.
message Road {
  optional Id id = 1;
  repeated RoadSection section = 2;

  // if lane road not in the junction, junction id is null.
  optional Id junction_id = 3;
}

2.4 车道Lane

modules/map/proto/mao_lane.proto
message LaneBoundaryType {
  enum Type {
    UNKNOWN = 0;
    DOTTED_YELLOW = 1;
    DOTTED_WHITE = 2;
    SOLID_YELLOW = 3;
    SOLID_WHITE = 4;
    DOUBLE_YELLOW = 5;
    CURB = 6;
  };
  // Offset relative to the starting point of boundary
  optional double s = 1;
  // support multiple types
  repeated Type types = 2;
}

message LaneBoundary {
  optional Curve curve = 1;

  optional double length = 2;
  // indicate whether the lane boundary exists in real world
  optional bool virtual = 3;
  // in ascending order of s
  repeated LaneBoundaryType boundary_type = 4;
}

// Association between central point to closest boundary.
message LaneSampleAssociation {
  optional double s = 1;
  optional double width = 2;
}

// A lane is part of a roadway, that is designated for use by a single line of vehicles.
// Most public roads (include highways) have more than two lanes.
message Lane {
  optional Id id = 1;

  // Central lane as reference trajectory, not necessary to be the geometry central.
  optional Curve central_curve = 2;

  // Lane boundary curve.
  optional LaneBoundary left_boundary = 3;
  optional LaneBoundary right_boundary = 4;

  // in meters.
  optional double length = 5;

  // Speed limit of the lane, in meters per second.
  optional double speed_limit = 6;

  repeated Id overlap_id = 7;

  // All lanes can be driving into (or from).
  repeated Id predecessor_id = 8;
  repeated Id successor_id = 9;

  // Neighbor lanes on the same direction.
  repeated Id left_neighbor_forward_lane_id = 10;
  repeated Id right_neighbor_forward_lane_id = 11;

  enum LaneType {
    NONE = 1;
    CITY_DRIVING = 2;
    BIKING = 3;
    SIDEWALK = 4;
    PARKING = 5;
  };
  optional LaneType type = 12;

  enum LaneTurn {
    NO_TURN = 1;
    LEFT_TURN = 2;
    RIGHT_TURN = 3;
    U_TURN = 4;
  };
  optional LaneTurn turn = 13;

  repeated Id left_neighbor_reverse_lane_id = 14;
  repeated Id right_neighbor_reverse_lane_id = 15;

  optional Id junction_id = 16;

  // Association between central point to closest boundary.
  repeated LaneSampleAssociation left_sample = 17;
  repeated LaneSampleAssociation right_sample = 18;

  enum LaneDirection {
    FORWARD = 1;
    BACKWARD = 2;
    BIDIRECTION = 3;
  }
  optional LaneDirection direction = 19;

  // Association between central point to closest road boundary.
  repeated LaneSampleAssociation left_road_sample = 20;
  repeated LaneSampleAssociation right_road_sample = 21;
}

2.5 路口Junction

  对于路口区域的描述

modules/map/proto/map_junction.proto
// An junction is the junction at-grade of two or more roads crossing.
message Junction {
  optional Id id = 1;
  optional Polygon polygon = 2;
  repeated Id overlap_id = 3;
}

  Proto格式地图的使用，这个时候的的地图格式，可以为Apollo中的多个模块，或者统一的方法所使用。

3 获取高精地图元素

3.1 对地图的操作方法

  有了原始从xml格式到protobuf的数据之后，就可以访问这些高精地图的元素，Apollo高精地图提供如下的方法获取元素：

LoadMapFromFile (const std::string &map_filename) 从本地文件加载地图 
GetLaneById (const Id &id) const
GetJunctionById (const Id &id) const
GetSignalById (const Id &id) const
GetCrosswalkById (const Id &id) const
GetStopSignById (const Id &id) const
GetYieldSignById (const Id &id) const
GetClearAreaById (const Id &id) const
GetSpeedBumpById (const Id &id) const
GetOverlapById (const Id &id) const
GetRoadById (const Id &id) const
// 在确定范围获取所有车道
GetLanes (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< LaneInfoConstPtr > *lanes) const 
// 在确定范围获取所有路口区域
GetJunctions (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< JunctionInfoConstPtr > *junctions) const 
// 在确定范围内获取所有人行道
GetCrosswalks (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< CrosswalkInfoConstPtr > *crosswalks) const 
// 获取确定范围的所有信号灯
GetSignals (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< SignalInfoConstPtr > *signals) const
// 获取确定范围内的所有停止标识
GetStopSigns (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< StopSignInfoConstPtr > *stop_signs) const
// 获取确定范围内的所有避让标识
GetYieldSigns (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< YieldSignInfoConstPtr > *yield_signs) const
// 获取确定范围内的所有禁止停车标识
GetClearAreas (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< ClearAreaInfoConstPtr > *clear_areas) const
// 获取确定范围内的所有减速带
GetSpeedBumps (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< SpeedBumpInfoConstPtr > *speed_bumps) const
// 获取确定范围内的所有道路
GetRoads (const apollo::common::PointENU &point, double distance, std::vector< RoadInfoConstPtr > *roads) const
// 获取从目标点的最近车道
GetNearestLane (const apollo::common::PointENU &point, LaneInfoConstPtr *nearest_lane, double *nearest_s, double *nearest_l) const
// 判断车辆姿态，获取在一定范围内最近的车道
GetNearestLaneWithHeading (const apollo::common::PointENU &point, const double distance, const double central_heading, const double max_heading_difference, LaneInfoConstPtr *nearest_lane, double *nearest_s, double *nearest_l) const
// 判断车辆姿态，获取所有车道
GetLanesWithHeading (const apollo::common::PointENU &point, const double distance, const double central_heading, const double max_heading_difference, std::vector< LaneInfoConstPtr > *lanes) const

// 获取确定范围内的所有道路和路口边界
GetRoadBoundaries (const apollo::common::PointENU &point, double radius, std::vector< RoadROIBoundaryPtr > *road_boundaries, std::vector< JunctionBoundaryPtr > *junctions) const
// 如果有两个与一条停止线相关的信号，则在车道上的某个范围内前进最近的信号，返回两个信号。
GetForwardNearestSignalsOnLane (const apollo::common::PointENU &point, const double distance, std::vector< SignalInfoConstPtr > *signals) const

  提供高精地图元素获取的方法实现类：

apollo::hdmap::HDMapImpl，详见apollo::hdmap::HDMapImpl Class Reference
【https://apolloauto.github.io/doxygen/apollo/classapollo_1_1hdmap_1_1HDMapImpl.html】

3.2 获取元素实例

modules/planning/reference_line/reference_line_provider.cc
bool ReferenceLineProvider::GetReferenceLinesFromRelativeMap(
    const relative_map::MapMsg &relative_map,
    std::list<ReferenceLine> *reference_line,
    std::list<hdmap::RouteSegments> *segments) {
  if (relative_map.navigation_path_size() <= 0) {
    return false;
  }
  auto *hdmap = HDMapUtil::BaseMapPtr();
  for (const auto path_pair : relative_map.navigation_path()) {
    const auto &lane_id = path_pair.first;
    const auto &path_points = path_pair.second.path().path_point();
    // 从高精地图中获取对应车道
    auto lane_ptr = hdmap->GetLaneById(hdmap::MakeMapId(lane_id));
    RouteSegments segment;
    segment.emplace_back(lane_ptr, 0.0, lane_ptr->total_length());
    segment.SetCanExit(true);
    segment.SetId(lane_id);
    segment.SetNextAction(routing::FORWARD);
    segment.SetIsOnSegment(true);
    segment.SetStopForDestination(false);
    segment.SetPreviousAction(routing::FORWARD);
    segments->emplace_back(segment);
    std::vector<ReferencePoint> ref_points;
    for (const auto &path_point : path_points) {
      ref_points.emplace_back(
          MapPathPoint{Vec2d{path_point.x(), path_point.y()},
                       path_point.theta(),
                       LaneWaypoint(lane_ptr, path_point.s())},
          path_point.kappa(), path_point.dkappa(), 0.0, 0.0);
    }
    reference_line->emplace_back(ref_points.begin(), ref_points.end());
  }
  return true;
}

4 使用其他地图

1. 更改全局 flagfile: modules/common/data/global_flagfile.txt 这是所有模块的基本flag文件，保持了整体系统的统一。
2. 作为flag标记传递，这样只影响单个进程：

<binary> --map_dir=/path/to/your/map

3. 覆盖模块所属的flag文件，生成位置：modules//conf/.conf
   明显地，这个文件也只影响单个模块：

--flagfile=modules/common/data/global_flagfile.txt

# Override values from the global flagfile.
--map_dir=/path/to/your/map

5 参考

OpenDRIVE® Format Specification, Rev. 1.4

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