загрузка...

Картографические анимации

  Исторические сведения о картографических анимациях. Первые картографические динамические фильмы были созданы еще в конце 50-х годов XX в. Тогда, в 1959 г., американский ученый Н.Троуэр исследовал возможности применения мультипликационных принципов в картографии. Однако реализовать его методы удалось лишь около 20 лет спустя. Первый картографический фильм, на основании которого строились теоретические предположения Н.Троуэ- ра, состоял всего из двух карт. В дальнейшем им бьш создан фильм, состоящий уже из 50 карт и показывающий динамику населенности некоторых штатов США в 1936—1957 гг. Фильм длился около 20 мин, тогда как продолжительность всех создаваемых в то время картофильмов составляла не более 2—3 мин.
Развитие вычислительной техники в последующие годы позволило перейти от аналоговых технологий к цифровым, демонстрация которых осуществлялась не на киноэкране, а на дисплее. Один из первых компьютерных роликов демонстрировал ориентацию орбиты спутника. В 1966 г. Корнвелл и А. Робинсон предложили использовать ЭВМ-фильмы в картографии.
В 70-е годы в США несколько возрос интерес к анимационной картографии. В это время был создан ряд дисплей-фильмов. Из наиболее интересных следует отметить фильм трехмерных моделей роста заселенности г. Детройта [W.R.Tobler, 1970], анимированную демонстрацию отмывки (вращение источника света вокруг деталей рельефа), фильм о динамике использования земель в одном из штатов.
К середине 70-х годов вышли в свет несколько обзорных работ по мультипликационной картографии [J. Halas, 1974; G. М. Hunter, 1977;
Е.              L. Levitan, 1977]. В это же время были созданы специализированные языки программирования, ориентированные на анимацию (языки BEFLIX и ANIMAII). Наиболее значимый практический эффект дал опыт ученых Великобритании — сделанные ими анимации процессов, происходящих в Ирландском море, позволили не только отражать движения водных масс, морских фронтов и течений, но и составлять прогнозы и оперативно принимать решения относительно освоения ресурсов моря, охраны морской среды и т.п.
Однако до начала 90-х годов XX в. анимационная картография оставалась доступной лишь узкому кругу профессионалов и экспертов. Причиной тому была высокая стоимость вычислительной техники, ее низкая производительность и необходимость больших усилий на создание каждой анимации. Однако снижение стоимости компьютеров до уровня, когда они действительно стали персональными, и улучшение качества бытовых мониторов до уровня телевизионного сигнала и выше привели к резкому увеличению анимационных материалов [А. М. Берлянт, Л. А. Ушакова, 2000J.
Бурный прогресс компьютерной техники, начавшийся в первой половине 90-х годов, привел к появлению самых разнообразных типов анимаций.
Виды картографических анимаций. В настоящее время можно выделить несколько видов картографических анимаций. Анимированные двухмерные карты динамики. Карты динамики площадных контуров явлений на различные даты. Карты разности состояний на несколько дат одних и тех же площадных контуров. Карты динамики точечных объектов (динамика положений или состояний объектов). Карты динамики линейных объектов (динамика положений или состояний объектов). Комплексные динамические двухмерные карты (карты, на которых одновременно показана динамика точечных, линейных и площадных объектов либо различных их сочетаний). Анимированные двухмерные карты движения. Классические двухмерные карты, использующие в качестве изобразительного средства эффекты анимации. Анимированные линейные и площадные анаморфозы. Анимированные линейные анаморфозы. Анимированные анаморфозы, показывающие динамику контуров на различные даты (две и более). Анимированные анаморфозы состояний контуров. Комплексные анимированные анаморфозы (динамика контуров и состояний контуров в сочетании с прочими динамическими изобразительными средствами). Анимированные динамические трехмерные изображения. Анимированные поверхности (изометрия, динамическая изометрия со сменой точки и угла обзора). Анимированные трехмерные блок-диаграммы и условные знаки. Трехмерные анимированные анаморфозы. Анимации в виртуально-реальностных изображениях. Облет местности, движение по поверхности. ’ Движение в среде. Движение в пространстве виртуальной реальности цифровой модели местности (ЦММ) одновременно с анимированием отдельных компонентов самой ЦММ (движение наземных и воздушных объектов, течение рек, метеоявления и пр.).
По конечному результату анимации можно подразделить на следующие типы: Неуправляемая последовательность двухмерных кадров. В данном типе анимации просматривающий субъект не может изменить практически ничего — ни проекцию, ни угол обзора, ни масштаб изображения. Типичным примером такой анимации является анимация в формате AVI (видео для Windows). Несмотря на двухмер- ность самих кадров, содержание их может быть трехмерным (например, AVI-файл с анимированной трехмерной поверхностью). Исходные кадры-карты могут создаваться автором самыми разнообразными способами и не предназначаются для изменения потребителем. Для просмотра анимации не требуется ни специального программного обеспечения (ПО), ни значительных аппаратных средств, пользователь может обладать лишь начальной компьютерной подготовкой. Последовательность векторных карт, переводящаяся в растр и выводимая на экран в реальном времени. Обычно для анимации такого типа можно задать пользовательскую проекцию, сменить масштаб или компоновку карты, изменить легенду, включить или выключить слои данных. Обычно создание такой анимации ведется на базе уже существующих ГИС-пакетов с помощью системы внутренних команд или встроенного языка программирования. Примером может служить анимация, составленная из последовательности векторных карт в формате SHP (работающая в среде ArcView) интерактивно управляемая пользователем. Для создания анимации подобного рода требуется наличие производительной техники (обладающей достаточной вычислительной мощностью), наличие ГИС-пакета и умение программировать на одном из внутренних языков ГИС (например, Avenue для ArcView 3.2). Просмотр анимации возможен любым пользователем с начальным уровнем знания ГИС-пакета, в котором создавалась анимация. Полностью управляемая пользователем модель данных, визуализируемая в результате длительного просчета. Здесь пользователь может изменить почти все параметры (скорость облета, угол зрения, дальность видимости, наличие атмосферных эффектов, движение прочих моделей в пространстве математической модели местности и т.п.), однако результаты изменений анимации он может увидеть лишь после просчета, в результате которого получается некорректируемая последовательность двухмерных кадров. Для создания требуется наличие специализированного ПО, высокопроизводительного аппаратного обеспечения, отличное владения пакетами для создания такой анимации (3D-Studio MAX, Power Animator, Maya, и прочие продукты, предназначенные для создания самой сложной двух- и трехмерной графики для видео- и кинофильмов). Пользователь, обрабатывающий такую модель данных, должен также иметь мощный компьютер, ПО, в котором создавалась модель данных, и навыки работы с этим ПО. Полностью управляемая пользователем виртуальная модель местности, визуализируемая в режиме реального времени. Здесь пользователь может изменить все параметры, причем результаты изменений становятся видны сразу же без каких-либо дополнительных расчетов. Создание модели может быть чрезвычайно сложным, требуя не только больших вычислительных мощностей, но и владения сразу несколькими ГИС-пакетами, пакетами ЗЦ-анимации, программирования и пр. Квалификация пользователя может быть различной: от минимального ознакомления с программой и простого просмотра до глубокого знания особенностей построения модели и возможности внесения в нее необходимых изменений.
Назначение анимаций. Область применения анимированных картографических изображений практически не ограничена. Как известно, картографировать можно практически любые предметы, которые нас окружают. Неоспоримо, что все картографируемые объекты со временем меняются. Следовательно, для любого предмета картографирования может быть создана картографическая анимация.
В настоящее время основными областями, для которых создаются и в которых используются картографические анимации, являются: оперативное картографирование (Гидрометеослужбы) и экстренное картографирование при чрезвычайных ситуациях (ЧС). Цели: своевременная поддержка принятия решения, выявление закономерностей развития картографируемого явления, достоверное прогнозирование развития ситуации на основании имеющегося динамического ряда состояний картографируемого процесса: учебный процесс (в школах, вузах, военных учебных заведениях и др ). Цель: достоверная передача знаний учащимся, более наглядная демонстрация ранее выявленных закономерностей развития картографируемых явлений и процессов: демонстрационно-рекламная и пропагандистская деятельность (различного рода презентации и показы, совмещающие демонстрацию картографических фильмов с разнообразной прочей информацией — текстами, графиками, таблицами, фотоматериалами, видеозаписями). Цель: наглядная передача специализированной информации липам, не обладающим картографической подготовкой (потенциально — демонстрация гражданам, не имеющим вообще никакого специального образования), для того чтобы подвигнуть их к какому-либо действию: планирование военных операций или слежение за их ходом. Цель: максимально наглядная передача специализированной информации липам, имеющим картографическую подготовку для обеспечения оперативной поддержки принятия решения: фундаментальные исследования в области исторических, географических, геологических, общественных наук. Цель: фундаментальные исследования для выявления неизвестных ранее процессов.
Анимация и математическая основа карт. Временной масштаб анимаций. В настоящее время двухмерные динамические анимационные карты, как правило, обладают всеми атрибутами классической карты (масштабом, проекциями, сеткой меридианов и параллелей и пр.).
Проекция. Как правило, основная часть анимаций создается с расчетом на неизменность проекции. Смена проекции при создании двухмерных анимаций практически всегда приводит к необходимости изменения компоновки карты, ее масштаба, смещению легенд и прочим изменениям, настолько значительным, что в результате приходится переделывать весь фильм. Смена проекции при создании трехмерной анимации вообще требует полного пересчета всей модели. Относительно просто поменять проекцию, а также компоновку анимированной карты можно лишь в том случае, если мы имеем дело с последовательностью векторных карт, переводящихся в растр и выводимых на экран в реальном времени.
Следует отметить, что вести речь о проекции для анимированных анаморфоз можно лишь условно, так как в ходе анимации контуров происходит динамическое изменение пространства, которое не может быть описано одной проекцией. Здесь можно лишь напомнить о семействе проекций, в рамках которых происходит покадровое изменение пространства.
При создании трехмерных анимаций, особенно изометрических изображений, перспективных видов, облетов местности и т. п. нельзя говорить о проекции самого изображения на экране дисплея, так как в проекции находятся лишь данные, на основании которых строится само изображение в кадре.
Масштаб. Масштаб анимационной компьютерной карты также нельзя рассматривать в классическом понимании этого термина, так как он зависит от размера дисплея, на котором демонстрируется фильм, и от размера окна, в котором ведется показ (окно может быть больше или меньше дисплея). При создании анимации по облету трехмерной модели местности, когда мы имеем дело с изометричным изображением, говорить о масштабе вообще некорректно. Поэтому для всех видов картографической анимации целесообразно было бы использовать термин «пространственное разрешение». Для двухмерной анимации пространственное разрешение будет выражаться в метрах на пиксел, для трехмерной — просто в метрах (например, пространственное разрешение виртуальной модели местности составляет 20 м).
Временной масштаб изображений. Поскольку время является по своей сути четвертой координатой, то при создании анимаций можно учитывать временной масштаб. В основном в картографии все показываемые процессы отображаются в ускоренном режиме, однако в принципе можно предположить появление и замедленных картографических анимаций. Временной масштаб 1:86 400 ука-
зывает на то, что одной секунде анимации соответствует 86400 с реального времени, т.е. 1 сут.              "
Нужно отметить, что в анимации, особенно при создании двухмерных анимаций, обычно имеют дело не с секундами, а с кадрами. Нередко при просмотре фильма можно увидеть надпись «1 кадру соответствует 1 год». В этом случае точно определить временной масштаб становится затруднительно, так как для этого нужно еще знать, сколько кадров показывается в секунду в данной анимации.
Использование разных по временному масштабу картографических анимаций дает результат, сходный с использованием разных по масштабу карт на одну и ту же территорию. При уменьшении масштаба карты (в результате генерализации) на карте остаются лишь основные, самые важные детали строения местности, а менее значимые исчезают. И наоборот, при увеличении масштаба можно увидеть незначительные особенности местности, неразличимые на мелкомасштабных картах. Уменьшение временного масштаба анимации позволяет выявить основные направления развития территории, сгладив короткие незначительные «биения» за счет сверхускоренного показа событий. Фильмы же с крупным временным масштабом скрывают от нас эти основные направления, но позволяют детально изучить особенности отклонений развития явлений от основного течения. Использование смены временного масштаба позволяет говорить о временной генерализации картографируемых явлений и процессов.
Легенды к картографическим анимациям. Легенды для анимаций должны удовлетворять двум взаимно противоположным условиям: быть максимально полными, показывая все виды условных знаков на карте и все варианты их анимации для обеспечения максимальной наглядности карт, и небольшими по размеру, так как размер матрицы экрана относительно невелик.
Легенды анимационных карт часто содержат как привычные условные обозначения, принятые в классической картографии, так и достаточно специфические элементы, редкие или никогда не встречающиеся на обычных картах. Приведем несколько примеров: счетчики времени. Применяются для точного определения момента времени, на который создавалась карта; цветовые многоступенчатые или непрерывные 1радиентные шкалы (число ступеней цветов может достигать 800 —1000 и более). Используются для анимирования цветовой окраски и достижения эффекта плавного перехода цветов; анимированные условные знаки (точечные, линейные, площадные). Сами изображения знаков могут быть как двух-, так и трехмерными; пульсирующие условные знаки (знаки с циклически меняющейся формой, цветом, светлотой, внутренней структурой, ориентацией);
— индикаторы достоверности данных или типов данных для каждого кадра.
Особенности компоновки картографических анимаций. К началу XXI в. практически все аналоговые и кинематографические способы демонстрации и создания картографической анимации перестали применяться, так как все они являлись чрезвычайно трудоемкими (требовалась ручная или частично автоматизированная прорисовка каждого кадра), пользователь не мог ничего изменить в уже готовом анимационном продукте, средства демонстрации (кинозал, проектор, экран) были громоздкими или имели высокую стоимость, а сам процесс — длительным и дорогостоящим. Упоминающиеся в отдельных источниках способы создания анимации путем съемки на видеокамеру отдельных бумажных карт в заданной последовательности [А. М. Берлянт, Л. А. Ушакова, 2000] в настоящее время также практически не используются.
Абсолютное большинство картографической анимации создается с использованием компьютеров и предназначено для просмотра на экране дисплея.
Основой для восприятия человеком анимации является изображение, выводимое на экран компьютера, и при просмотре анимации человек может воспринять лишь ту информацию, которая находит отражение на экране. Однако как раз экран компьютера является самым «узким» местом в создании картографической анимации.
Несмотря на колоссальный рост объемов накопителей данных и мощности процессоров за последние 10 лет, увеличение размеров дисплеев и их разрешения (в дюймах и в количестве пикселов) невелико. Приведем пример: в начале 1993 г. компьютер, считавшийся «хорошим», обладал жестким диском объемом 20—40 Мб, оперативной памятью 1—4 Мб и экраном с максимальным разрешением 640 х 480 пикселов с диагональю 14 дюймов. В начале 2003 г. «хорошим» считается компьютер, обладающий жестким диском объемом 80—120 Гб (увеличение в 3000— 4000 раз), оперативной памятью около 512 Мб (увеличение в 128—512 раз), экраном с максимальным рабочим разрешением[VI] 1600x1200 при диагонали 19 дюймов. Таким образом, увеличение площади экрана (в пикселах) составило 6,25 раза, а увеличение его площади в квадратных сантиметрах составило всего 1,84 раза.
Чтобы понять, много это или мало, перейдем к аналоговым картам. При сканировании стандартной военно-топографической карты полная передача всей необходимой информации с точностью, соответствующей или превышающей точность исходной карты, достигается при разрешении сканирования'250 точек на дюйм (размер точки — 0,1 мм, точность карты — 0,4 мм, минимальная толщина линии на карте — 0,15 мм). Следовательно, на экране с разрешением 1600 х 1200 точек поместится столько же информации, сколько на бумажной карте размером 16 х 12 см. Небольшое поле для деятельности, особенно если учесть, что основная масса пользователей работает с разрешением 1280 х 1024 или 1024 х 768 точек! Из этого вытекает необходимость максимально эффективно использовать все поле изображения, стараясь по возможности оставлять на нем лишь наиболее значимые и важные детали.
Второй особенностью компоновки компьютерных картографических анимаций являются пропорции экрана и его ориентация. Пропорции всех без исключения экранов составляют 4:3 (отношение ширины к высоте), и кадр всегда расположен горизонтально.
Возможно, развитие технологий производства плоских мониторов приведет к появлению экранов, которые можно повернуть боком, однако это дело не сегодняшнего дня. Вследствие этого создание анимаций, сильно вытянутых в вертикальном направлении, затруднено, так как при этом их вертикальный размер лимитируется короткой стороной экрана.
Требование к пропорциям экрана как 4:3 необязательно — пропорции могут быть какими угодно: достаточно лишь перейти от полноэкранной анимации к оконной. Однако при этом полезная площадь окна сильно уменьшается.
Следует отметить, что первые картографические анимации [N.J.W. Thrower, 1959] обладали рядом особенностей, необычных для классической картографии и современных анимаций. Так, на этих картах не указывался масштаб, проекция, отсутствовала сетка меридианов и параллелей, не было легенд. Это особенности были обусловлены техническими и идеологическими причинами. В частности, отсутствие легенд автор объяснял тем, что у зрителя все равно нет времени их читать, и предпочитал давать легенды в виде звукового сопровождения. Подобный подход заслуживает внимания и может использоваться если не для полной, то хотя бы для частичной замены легенды при создании сложных комплексных анимаций.
Анимация и картографические способы изображения. Несомненно, широкое распространение различных методов использования анимации приведет к некоторому пересмотру классификации картографических способов изображения, добавив к ним ряд других способов.
Как известно, при создании всех условных знаков картограф оперирует графическими переменными. В классической картографии к таковым относятся: форма, размер, цвет, светлота, внутренняя структура и ориентация знака. Картографические анимации добавили к этому ряду еще несколько переменных.
Приведем эти переменные совокупно с примерами гипотетических двухмерных карт (не являются картами динамики!), использующих анимационные эффекты в качестве условных обозначений.
Анимация формы (условный знак может менять свою форму, причем смена формы может идти по-разному в зависимости от семантического значения знака). Пример: демографическая карта городов, на которой уровень рождаемости показан в виде условного знака — кружка, при этом рождаемость тем выше, чем больше разность между начальным и конечным размерами кружка, скорость увеличения каждого кружка пропорциональна среднему числу родившихся детей на 100 матерей. Анимации циклически повторяются.
Анимация цвета (условный знак меняет исходный цвет на другие цвета, скорость и тип смены цвета характеризуют интенсивность картографируемого процесса). Пример: электоральная карта городов, показанных условным знаком — белым кругом. Размер круга пропорционален численности жителей. Электоральные предпочтения большинства показаны переходом от белого цвета к условному цвету, ассоциированному с тем или иным кандидатом, скорость смены цвета пропорциональна перевесу на выборах. Анимации циклически повторяются.
Анимация размера (условный знак меняет размер, смена размера зависит от семантики). Пример: карта населенных пунктов. Населенные пункты показаны условным кругом диаметром D. Миграция населения представлена циклической медленной сменой размера знаков (временной период смены — Г), причем диаметр знака меняется пропорционально количеству мигрантов за год. Поселки вахтового типа с сезонным заселением показываются также циклической сменой знака (период смены — Т/6), пропорциональной численности вахты.
Анимация внутренней структуры знака (внутри знака происходит смена текстуры или рисунка знака). Пример: карта населенных пунктов, показанных геометрическими условными знаками различной формы в зависимости от типа поселения — городское или сельское. С помощью различного цвета отражен национальный состав, при этом текстура передает половозрастной состав, анимация текстуры — изменения в структуре половозрастного состава, имевшие место за период.
Анимация положения знака. С помощью характера движения знака можно представить дополнительную информацию об объекте. Анимация положения возможна в двух видах.
Первый вид — движение значка по полю карты, показывающее фактическое перемещение объектов в пространстве. Пример: карта преобладающего направления течений в море. Направление движения водных масс показано движущимися стрелками.
Второй вид анимации положения знака — знак передвигается, но движение знака не связано с его перемещением в пространстве. Пример: карта мира, на которой в центре каждой страны стоит одинаковый условный знак (например, круг); при достижении страной определенного уровня эмиграции за год знак начинает совершать «биения» из стороны в сторону, оставаясь в конечном итоге на одном месте, причем амплитуда биений пропорциональна дальности миграции.
Анимация ориентации знака является частным случаем применения анимации формы знака и потому не была выделена в отдельную динамическую переменную.

Анимация поверхностей. В географии часто возникает необходимость анализа ряда поверхностей. Это может быть, например, ЦМР одной и той же территории в различные эпохи; поле атмосферного давления; поверхность, построенная по псевдоизолиниям лесистости местности.
Анализ разновременных состояний поверхности и выявление динамики развития поверхности путем визуальных наблюдений и классической картометрии практически невозможен. Для проведения подобных исследований необходимо использование специализированного математического аппарата. Применение математических методов само по себе затруднительно, да и не слишком наглядно. Зачастую, особенно если необходимо лишь уяснить суть происходящих изменений и их скорость, можно упростить данную задачу путем использования трехмерной анимации поверхности.
Допустим, известны # состояний поверхности за период Т. На каждый ключевой момент времени, на который мы обладаем информацией о состоянии поверхности, проводится построение регулярной модели поверхности (GRID) (использование нерегулярной триангуляционной модели данных (TIN) затруднительно по программным и техническим причинам).
Далее каждая из N моделей подгружается в специализированное ПО (например, 3D-Studio МАХ), где задается ее временная принадлежность (например, /-я поверхность существовала в к-й момент времени) — временные промежутки между состояниями поверхности могут быть неодинаковыми, задается общее количество кадров в анимации и скорость смены кадров. После этого компьютер автоматически просчитывает промежуточные кадры (между ключевыми), составляя из них единый анимационный фильм. Процесс интерполяции состояний поверхности для каждого момента времени по ключевым состояниям называется морфингом (Morphing).
При необходимости (для повышения наглядности и информативности анимации) поверхность может быть текстурирована или

«драпирована» (если поверхностью является рельеф местности, то ее можно обтянуть текстурой космических снимков), в нее могут быть добавлены какие-либо прочие объекты (например, населенные пункты). В процессе анимации поверхности можно произвести ее облет либо создать ряд анимаций одной поверхности, сделанных с разных точек обзора.
Использование подобного подхода позволяет чрезвычайно наглядно и эффектно продемонстрировать основные тенденции развития поверхности во времени и провести визуальную оценку этих изменений.
Реализация анимации анаморфоз. В качестве наиболее сложного примера обратимся к методике создания анимированных анаморфоз. Суть предлагаемой авторами идеи [N. Bogomolov, I. Rylskiy, V.Tikunov, 2002J такова. Пусть существуют два изображения: исходное (недеформированное) и результирующее (анаморфоза). Оба изображения (векторные) имеют одинаковую топологию объектов и одинаковое количество вершин для каждого контура.
В результате реализации разработанной авторами программы на основании упомянутых изображений строятся промежуточные фазы перехода от обычной карты к анаморфозе. Пользователь имеет возможность построить все промежуточные фазы данной анимации и увидеть их на экране со скоростью 25 фаз в секунду. Продолжительность анимации задается пользователем. Имеется возможность проигрывания анимации как от обычной карты к анаморфозе, так и наоборот.
При построении промежуточных фаз производится линейная интерполяция координат X, У точек-узлов каждого контура. Пользователь имеет следующие возможности: просмотреть файл типа KRLB (результирующий формат программы для построения анаморфоз); задав два файла KRLB (с идентичной топологией и количеством узлов), просмотреть все фазы превращения одного изображения в другое. В данном случае это обычная карта, переходящая в анаморфозу, однако возможно построение промежуточных фаз для двух заданных анаморфоз (например, анаморфозы населения стран мира за разные годы); возможна как ручная, так и автоматическая прокрутка кадров. Для автоматической прокрутки пользователь задает длительность анимации и ее направление (например, от карты 1 к карте 2, или наоборот); результаты автоматического построения фаз могут бьггь сохранены на диске в виде отдельных кадров, записанных в формате *.bmp, пользователю необходимо лишь задать количество кадров. Кроме того, имеется возможность задать разрешение результирующего растра (практически любых размеров), а также откадриро- вать и увеличить любой участок изображения;
• при построении анаморфоз (при недостаточном количестве узлов) возможно образование из одного контура нескольких (появление самопересекающихся ломаных). Пользователь может проверить любой из KRLB-файлов на предмет наличия подобных мест, и в случае их обнаружения программа отметит их контрастным цветом (красным).
Ниже приводятся некоторые сведения о том, как можно повысить информативность и размерность изображения. Как упоминалось выше, и по настоящее время мы имеем дело прежде всего с плоскими (2D) изображениями. Несколько реже используется отображение на плоскости ЗО-изображений (поверхности, блок-диаграммы).
С началом эры персональных компьютеров, способных воспроизводить полнометражное видео, возможность отображения какого-либо объекта в динамике стала приравниваться к повышению размерности исходного статического изображения на один уровень. Динамические 20-изображения (например, картограммы, где значение показателя выделено цветом) по сути трехмерны.
Динамические ряды данных по целому ряду показателей довольно часто встречаются в социально-экономической картографии. Построение динамических 20-изображений по каждому из показателей в отдельности стало в настоящее время достаточно частым явлением. Анализ одного картофильма — дело также несложное. Есть возможность построить картофильм и на каждый из картографируемых показателей. Однако провести некие корреляции между ними в определенной степени затруднительно.
Таким образом, мы вплотную подошли к существу одной из проблем — картографированию сразу нескольких динамических показателей одновременно, без построения дополнительных динамических карт корреляций.
Рассмотрим задачу на примере трех показателей: 1) численности населения; 2) средней продолжительности жизни; 3) ВНП на душу населения. Все показатели брались для каждой страны мира за последние 30 лет. Показ динамики сразу трех показателей на одной модели методами классической картографии достаточно затруднен. Однако решение может быть следующим. Население мира: ежегодно строится анаморфоза численности населения (мир). Изображения (каждое из них) двухмерны. Если запустить последовательно все изображения одно за другим, то увидим «вздутия» и «сплющивания» для различных стран. Поскольку изображения растровые, для каждой страны выберем точку, которая бы не смещалась за весь период, находилась примерно в центре страны, и определим ее координаты в системе XOY.
Человек достаточно хорошо воспринимает даже незначительные изменения формы, и потому динамика явления будет видна очень хорошо. Ожидаемая продолжительность жизни. Динамику средней продолжительности жизни отобразим цветом. Выберем многоступенчатую шкалу (например, 100 ступеней цветов) так, чтобы каждый уровень показателя обозначался одним цветом. В соответствии с этим динамика продолжительности жизни в каждой стране отобразится как достаточно непрерывное изменение ее цвета, что также достаточно наглядно. ВНП на душу населения. Для определения этого показателя используем метод построения ЗО-пирамидальных блок-диаграмм. Суть метода такова: пусть есть двухмерная карта стран (или иных территориальных единиц), см. цв. вкл. 1. Для каждой страны (визуально) выберем центр (X, У), и для него координатой Z будет значение ВНП на душу населения в данной стране в данном году. Все точки-узлы контуров страны будут иметь свои ЛТ-координа- ты, а координата Z у них будет равна нулю. Если после этого по полученному массиву X, У, Z построить трехмерную поверхность и для облегчения ориентации «обклеить» («драпировать») ее исходной двухмерной картой, то увидим, что каждая страна превратилась в «гору», основанием которой стала внешняя граница страны, а высота пропорциональна картографируемому показателю (в нашем случае — ВНП на душу населения). Исходной двухмерной картой может быть как классическая политическая карта мира, так и анаморфоза — статическая или динамическая. Необходимым условием при этом является постоянство во времени координаты ХУ вершины «горы» в каждой стране.
С учетом вышеизложенного были построены динамические пирамидальные блок-диаграммы по ВНП, причем их вершины остаются (в плане) на одном месте, а высота меняется со временем. Форма и площадь основания этих «гор» зависит от численности населения данной страны (динамическая анаморфоза). И одновременно с этим каждая «гора» будет постоянно менять свой цвет — в соответствии с продолжительностью жизни.
Для того чтобы сделать подобные изображения метричными, значения показателей за каждый год можно просто подписать над вершиной каждой из «гор». Можно также нанести на них линии уровня. Размерность этого изображения очень высока. В самом деле, статическое нераскрашенное изображение в данном случае являло бы собой визуализацию некоей поверхности. Во времени изменяются как высота гор, так и форма их основания, а также цвет.
Актуальные технические проблемы картографической анимации.
Передача данных по сети Интернет. Наибольшие сложности для использования анимации возникают в сети Интернет. Передача готовой растровой анимации высокого разрешения с большим числом кадров по стандартным каналам связи практически невозможна из-за большого объема данных и низкой пропускной способности, что приводит к значительным финансовым затратам. Кроме того, это длительный процесс. Более перспективным методом является передача по каналам связи исходной информации и параметров ее анимирования в каком-либо стандартном и общепринятом программном продукте.
Однако в настоящее время не существует ни одного более или менее общепринятого формата данных для передачи анимации в таком виде, не распространены также и программные продукты, позволяющие рядовому пользователю самостоятельно создать анимацию (предположительно, этих продуктов вообще не существует). Проблему в некотором смысле позволяет решить формат VRML, предназначенный для передачи по сети Интернет трехмерных моделей и просматриваемый рядом бесплатных (или условно-бесплатных) программ, позволяющих проводить поворот модели, ее масштабирование и приближение к ней. Однако данный формат вообще не предназначен для картографии, очень громоздок и имеет ряд других недостатков.
Передача исходных виртуальных моделей для их последующей визуализации пользователями или специалистами-картографами также весьма затруднена, поскольку несмотря на все ухищрения и методы оптимизации и сжатия даже весьма средняя по размерам и детальности виртуальная модель может занимать объем более 1 Гб, а наиболее крупные модели — десятки гигабайт.
Кроме того, стоимость программных пакетов обработки сложных виртуальных моделей и трехмерной графики (Erdas Imagine, 3D-Studio MAX, MAYA, MultiGEN) достигает десятков тысяч долларов и рядовой пользователь просто не может их приобрести.
Сжатие анимации. В силу вышеописанных причин передача картографических анимаций осуществляется в 99 % случаев в виде растрового видеофайла (например, файл AVI) или последовательности файлов-кадров (TIFF). На практике запись видео может производиться в форматы AVI, MPEG, DV и ряд других форматов (RAM, QUICK TIME, WMV), применяющихся для картографических анимаций очень редко.
Формат AVI изначально создавался как формат без сжатия, однако на сегодняшний день в мире существует несколько десятков специальных драйверов-кодеков, поддерживающих различные алгоритмы сжатия, в то время как файлы с данными все равно имеют расширение *.avi.
Для записи анимации в последовательность кадров наиболее часто используется формат TIFF, далее за ним следуют форматы jpg, bmp, tga и др.
Нетрудно подсчитать, что один кадр несжатого видео размером 1280 х 1024 с глубиной цвета в 24 бита занимает 4 Мб данных. Минимальная рекомендуемая скорость показа анимации составляет 15 кадров в секунду (при меньшем количестве кадров начинает проявляться эффект «скачков» изображения), оптимальная — 25 кадров в секунду. При этом скорость обмена данными с жестким диском должна составлять 60—100 Мб/с. Однако современные жесткие диски способны на обработку лишь 20—28 Мб/с (здесь не рассматривается применение RAID-массивов, так как это чрезвычайно редкая ситуация).
Поскольку полноцветные несжатые кадры и фильмы и в настоящее время не могут воспроизводиться на компьютере со скоростью 25 кадров в секунду, возникает необходимость использовать различные методики сжатия видеоданных, доводя поток информации до 5 —10 Мб/с. Декомпрессия изображения осуществляется в режиме реального времени центральным процессором (процессорами) компьютера.
Все алгоритмы сжатия информации разделяют на алгоритмы сжатия с потерей качества и алгоритмы без потери качества. В первом случае добиваются значительного сжатия, но конечное изображение может сильно отличаться от оригинала, во втором — фильм остается неизменным, но достаточного сжатия не достигается.
Алгоритмы сжатия с потерей данных. К ним относятся алгоритмы сжатия MPEG1, MPEG2, MPEG4, Motion JPEG, DV, RAM, семейства кодеков для формата AVI: кодеки серий DIVX, INDEO, CINEPACK. Все они достаточно широко распространены, бесплатны, удобны для использования и обеспечивают значительное сжатие за счет частичной деградации изображения. Для каждого типа анимации рекомендуется попытаться применить различные алгоритмы сжатия, выбрав среди них тот, который привел к наилучшему результату.
Следует отметить, что наиболее качественное изображение и (одновременно!) наилучшее сжатие обеспечивают алгоритмы семейства DIVX MPEG4. Отрицательной чертой их является возможность конфликта программ-декодировщиков с аппаратным обеспечением компьютера, что приводит к некорректному показу изображения или даже к сбою показа. Впрочем, эти случаи чрезвычайно редки.
Практически такой же результат дает использование алгоритма сжатия MPEG2, лишенного указанного выше недостатка. Оба алгоритма требуют для просмотра установки на компьютер драйверов кодеков, не поставляющихся в стандартной комплектации Windows.
Менее качественное изображение и худшую компрессию дает использование кодека CINEPACK. Однако драйверы этого кодека автоматически устанавливаются на компьютер вместе с Windows, и потому пользователь может не утруждать себя поисками необходимого ПО.
Все остальные алгоритмы сжатия в настоящее время доступны, однако не обладают никакими преимуществами перед вышеописанными и потому применяются крайне редко.
Алгоритмы сжатия без потери данных. К этим алгоритмам относится семейство кодеков сжатия типа RLE *(Run-length encoding).
Алгоритм сжатия RLE основан на том, что при наличии в изображении идущих последовательно один за другим одинаковых пикселов цвета К кодировщик производит запись лишь числа повторений N и значения цвета К, экономя таким образом большое количество байтов.
Однако сжатие возможно лишь в том случае, если в изображении часто встречаются цепочки пикселов одного цвета, т.е. изображение достаточно регулярно. Как правило, к таким изображениям относится большинство двухмерных анимаций, где часто применяются однородные цветовые заливки, кадры повторяют один другой (или незначительно отличаются друг от друга). В этом случае сжатие RLE дает замечательный эффект.
Однако при сжатии этим алгоритмом трехмерной графики результат оказывается практически нулевым. Происходит это из-за чрезвычайной неоднородности трехмерного изображения (наличие текстур, теней, быстрая смена точек обзора и т.п.).
Наиболее качественный результат дает применение кодека Autodesk RLE 24 bit, который позволяет сжимать этим алгоритмом анимации с глубиной цвета 24 бита. Широко известный кодек Microsoft RLE предназначен для работы только с анимациями в 256 цветов, причем даже в этом случае изображение часто и сильно загрубляется.
Перспективы развития анимационной картографии. В первую очередь дальнейшее развитие картографической анимации нуждается в экспериментальных психологических исследованиях, направленных на изучение восприятия динамических графических образов, а также на оценку результатов создания тех или иных способов изображения, использующих динамические графические переменные.
Если в классической картографии такие работы проводились, были опубликованы и широко использовались при оформлении карт и в картографическом дизайне, то в анимационной картографии эта область знаний практически не исследована.
Приведем пример особенностей анимационных способов отображения информации: восприятие плавно переходящих друг в друга цветов из многоступенчатых цветовых шкал принципиально отличается при различной скорости показа фильма. Не до конца изучена способность человека одновременно воспринимать несколько одинаковых, но по-разному анимированных знаков. Нуждается в дальнейшем исследовании феномен временной генерализации. И так далее. Список малоисследованных и вовсе неизученных аспектов восприятия меняющихся изображений огромен.
В настоящее время разрабатываются новые методы и приемы анимационного картографирования для каждого из существующих типов анимации. Особенно важны опыты по комплексированию динамических графических переменных и их совместному применению с классическими картографическими способами изображения.
Создаются принципиально новые типы анимации (в последние годы разработаны и созданы такие картографические изображения, как анимированные анаморфозы, анимированные пирамидальные блок-диаграммы и др.).
Технический прогресс вносит изменения в требования к конечной продукции — к самой анимации. Как бьшо показано выше, размер матрицы экрана чрезвычайно важен для анимации и зачастую оказывает решающее значение при выборе масштаба анимации и изобразительных средств. Сейчас это значение колеблется между 1280 х 1024 и 1600 х 1200 пикселов.
Дальнейшее развитие ПО для генерации двухмерных анимаций может идти по двум направлениям: развитие сложного и богатого по возможностям ПО для создания анимаций профессионалами и выдачи их пользователю в готовом виде; развитие ПО для создания анимации самим пользователем — более бедное по возможностям, но простое в освоении.
Оба направления имеют свою нишу на рынке анимации и будут какое-то время сосуществовать.
Развитие программного обеспечения для создания трехмерных анимаций идет исключительно по пути его усложнения. Предполагается, что потребитель анимации в принципе не обязан знать, как она делается, и может не уметь самостоятельно создавать такие продукты. Все современные продукты, обладающие полным спектром возможностей для создания высококачественной и детальной анимации (как в режиме реального времени, так и в режиме предварительного просчета) являются чрезвычайно сложными системами, требующими зачастую многолетнего опыта работы и полного владения всеми тонкостями картографии и компьютерной графики.
Развитие этих систем идет по пути увеличения объемов обрабатываемой информации (что ведет к повышению детальности моделей, росту их пространственного охвата), ускорению и оптимизации проведения математических расчетов.
Появляются все новые возможности по анимации объектов, входящих в состав математической модели местности (например, возможность задать не только разные траектории для объектов, но и различную кинематику движения — инертный полет тяжелого самолета, верткие движения ракет системы ПВО, неравномерные движения солдат во время бега). Предусматривается возможность иерархического соподчинения объектов (движения родительского объекта (старшего по иерархии) всегда копируются движением дочернего объекта (младшего), но не наоборот).
Примером иерархического соподчинения движения объектов является движение в виртуальной модели корабля (родительский объект) и людей по палубе корабля (дочерние объекты). Программы оснащаются все более сложными инструментариями для интерполяции между состояниями объекта (морфинг) и фаз процессов. Так, преобразование одной поверхности в другую (анимированный рельеф) может идти как линейно, так и по любой другой математической функции, а также вообще не по функции, а по кривой развития процесса, заданной интерактивно. Например, при задании движения объекта из пункта А в пункт Б (заданы лишь конечное и начальное положения) объект плавно ускоряется, набирает максимальную скорость, некоторое время движется с данной скоростью, после чего плавно тормозит в пункте Б.
Расчет траектории движения и скорости происходит автоматически.
При создании виртуальных моделей местности и связанных с ними трехмерных анимаций все большее внимание уделяется использованию данных дистанционного зондирования Земли. В программы добавляются средства для чтения и обработки сырых и частично обработанных данных съемок, выполненных с применением различных аппаратов (LANDSAT, ICONOS, ASTER), что позволяет разработчику самостоятельно осуществлять обработку снимков, не обращаясь в специализированные центры.
Увеличивается ассортимент мультимедийных форматов, допустимых к использованию в анимированных виртуальных моделях: звуковые эффекты, тексты, аннотации, растровые фотоматериалы, CAD-материалы (см. 3.4).
Несомненно, в дальнейшем анимации, создаваемые при визуализации виртуальных моделей, по своей реалистичности будут все более приближаться к видеосъемке реальной местности, а технологии анимации отдельных объектов позволят не только моделировать существующие системы объектов, но и прогнозировать различные сценарии их развития. Также очевидно и то, что анимации останутся одной из наиболее требовательных к аппаратным ресурсам отраслей геоинформатики.
Развитие двухмерных анимаций и использование динамических графических переменных придет к логической завершенности; в результате исследований различных способов изображения будут сформулированы основные правила применения динамических и статических способов изображения, что позволит создавать лаконичные по форме и богатые по содержанию информационные продукты.

Контрольные вопросы Когда были созданы первые компьютерные картографические анимации? Какие динамические графические переменные вы можете перечислить помимо основных графических переменных? Можно ли говорить о масштабе трехмерных анимаций? Для чего может быть применена анимация анаморфоз? Назовите основные программы для создания и визуализации трехмерных моделей местности. Назовите основные достоинства и недостатки наиболее распространенных способов сжатия графической информации. Какие новые элементы могут быть использованы в легендах анимационных карт? Кто в настоящее время является основным потребителем анимационных карт?


<< | >>
Источник: Е. Г. Капралов,  А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов. Геоинформатика: Учеб, для студ. вузов. 2005

Еще по теме Картографические анимации:

  1. Компьютерная графика и анимация Е.Э. ХРАМЦОВА, О.А. СУСЛОВА, Н.Э. БАСИНА
  2. § 21. Картографические проекции
  3. Картографическая визуализация
  4. Математико-картографическое моделирование
  5. Конструктивный или картографический способ
  6. «Виртуальная реальность», или Педагогические возможности игровой эстетической компьютерной среды в курсе «Компьютерная графика и анимация» Елена ХРАМЦОВА
  7. А теперь давайте знакомиться.
  8. Введение
  9. Информационное н программное обеспечение
  10. Базы данных сети мониторинга
  11. ТРИ МЕТОДА ПРЕПОДАВАНИЯ ГЕОГРАФИИ
  12. Click2Leam ToolBook Instructor
  13. Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р.. Лазерная локация земли и леса: Учебное пособие., 2007
  14. 2. Круг охраняемых законом произведений
  15. Список мультфильмов:
  16. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
  17. Говорит и показывает