загрузка...

Виртуально-реальностные изображения

  С виртуально-реальностными моделями современный человек сталкивается с раннего детства, например, используя многие компьютерные игры или наблюдая за развитием синоптических процессов по телевидению. Действительно, они очень разнообразны и круг их использования весьма широк. В настоящее время возможно создание виртуальной модели практически любого объекта Вселенной, о котором имеется информация. Так, существуют наглядные виртуально-реальностные модели атомов, человеческого организма, объектов живой природы (например, муравейников), отдаленных или невидимых космических объектов (например, ядра кометы Галлея), а также модели прочих объектов и систем, зачастую весьма далеких от геоинформатики.
В этом подразделе рассмотрим их на примере наиболее важной для геоинформатики разновидности — виртуальных моделей местности. Виртуальная модель местности (ВММ)— математическая модель местности, содержащая в себе информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории, и предназначенная для интерактивной визуализации и обладающая эффектом присутствия на местности.
Следует также отметить, что в настоящее время возможен не только облет поверхности, но и движение в среде (например, погружение под воду с имитацией эффектов освещения и динамики движения). Однако визуализация многослойных поверхностей (например, движение в грунте с визуализацией слоев пород) затруднена из-за неэффективности изобразительных средств, и в настоящее время не применяется.
Существующее программное обеспечение и его возможности. Для
создания и визуализации виртуальной модели местности с достаточно высокой степенью реалистичности требуется применение программ, способных обрабатывать трехмерные объекты, «драпированные» («обтянутые») текстурой (растровыми картами либо снимками). Все существующие программы, предоставляющие подобные возможности, могут быть разделены на несколько типов: CAD-пакеты, предназначенные для черчения или проектирования (не для картографии), содержащие встроенные функции для визуализации трехмерных объектов;
Б. Программы для создания ЗО-графики и видеоэффектов; Картографические программы.
CAD-пакеты (например, AutoCAD, Microstation), как правило, не позволяют создавать полноценные модели местности в силу того, что они просто не предназначены для этого, однако при необходимости в них можно создать трехмерную модель рельефа, драпированную текстурой, а также добавить в модель дополнительные объекты (дома, сооружения). Пакеты позволяют визуализировать модель с любого ракурса либо вращать ее перед наблюдателем.
Основным недостатком этих способов создания ВММ является чрезвычайная трудоемкость процесса, сложности с взаимным увязыванием растров, трехмерных объектов и пр. Кроме того, подобные модели очень требовательны к ресурсам компьютера, и даже небольшая модель местности (например, соответствующая по размерам и детальности среднему листу карты масштаба 1: 200 000) может оказаться чересчур громоздкой для того, чтобы обсчитывать се на персональном компьютере. Кроме того, все эти программы ограничены в своих возможностях и предоставляемых функциях.
Программы для создания трехмерной графики и видео (такие, как 3D-Studio МАХ) не столь ограничены в функциях. Можно с уверенностью утверждать, что в этих пакетах можно создать любую, сколь угодно близкую к действительности модель местности, несмотря на то, что программы этого типа не предназначены для выполнения картографических функций (не поддерживается привязка растров, проекции, послойное представление данных, базы данных и пр.). К основным недостаткам этих пакетов относится невозможность облета местности в реальном времени, так как просчет каждого кадра может занимать от нескольких секунд до нескольких часов. Также затруднительно создание обширных детальных моделей местности (модель, соответствующая по размерам и детальности среднему листу карты масштаба I : 200 000, является очень большой моделью). Следует, однако, отмстить, что качество графики, получаемой в результате, очень высоко.
Картографических программ, позволяющих создавать виртуальные модели местности, немного. К ним можно отнести Virtual G1S (из комплекта Erdas Imagine), Multigen, ArcView 3D Analyst (табл. 2.5). Данные пакеты позволяют текстурировать поверхности, наносить дополнительные объекты, проводить просчет сцены в реальном времени, поддерживают картографические системы координат и проекции. Нужно отметить, что потенциальные возможности ArcView 3D-Analyst сравнительно бедны, а качество и скорость обсчета сцен невелики. Из упомянутых программ наиболее богаты возможности Multigen, однако обсчет больших сложных сцен в данной программе затруднен. Возможности Virtual G1S меньше, однако на сегодняшний момент эта программа позволяет создавать наиболее крупные ВММ высокого разрешения, обсчитывая их в реальном времени и с хорошим качеством.
Компоненты виртуальной модели местности. В настоящее время подавляющее количество моделей строится в общеземных прямоугольных системах координат (например, Гаусса—Крюгера), что облегчает добавление в модель новых данных. Однако построение модели в этом случае требует привязки всех данных, использованных в работе. Для реалистичного представления местности современная виртуальная модель должна содержать следующую информацию: данные о рельефе (цифровую модель рельефа — ЦМР); растровые изображения земной поверхности (сканированные карты либо снимки); векторные данные;
« подписи; трехмерные объекты специального назначения (сложные модели, импортированные из других программ для создания трехмерной графики); дополнительные растровые изображения или анимации.
Цифровая модель рельефа. Одной из наиболее важных составляющих ВММ является ЦМР (см. 2.2.3). Степень соответствия виртуальной модели реальной местности в основном зависит от точности передачи рельефа земной поверхности. Чем точнее и детальнее модель рельефа, тем более реалистична модель. Однако при визуализации трехмерных сцен на обсчет ЦМР может уходить от 50 до 98 % вычислительных мощностей компьютера, и потому излишняя подробность при передаче земной поверхности нецелесообразна.
Степень подробности рельефа зависит от целей и возможностей создателя ВММ. Однако нужно отметить, что местность стано-

Сравнение программ, позволяющих создавать виртуальные модели местности

Характеристики

ArcView
3D-Analyst

MultiGEN

Erdas Imagine Virtual CIS

Тип используемой ЦМР (в порядке предпочтения)

TIN, GRID

TIN, GRID

GRID

Сглаживание граней

Нет
/>Да
Да

Возможность «обтягивания» рельефа растровыми изображениями

Да

»

»

Возможность нанесения подписей на модель

»

»

»

Возможность нанесения векторных данных

»

»

»

Статическая визуализация (3D-вид)

»

»

»

Записьоблета по заданной траектории в видеофайл

»

»

»

Облет сцены в реальном времени

Нет

»

»

Объезд сиены в реальном времени

»

»

»gt;

Импорт 3 D-объектов

»

»

»

Анимирование импортированных объектов в реальном времени

»

»

Нет

Звуковые эффекты

»

»

»

Расчет полей видимости

Да

»

Да

Моделирование освещения в соответствии с заданным днем и часом

Нет

Нет

»

Возможность оптимизации модели для ускорения обсчета

»gt;

Да

»

Критический размер, при котором работа с моделью становится крайне

100000 граней

50 000 граней

Количество

медленной (субъективно, может варьировать от модели к модели)

(TIN), 5 млн ячеек (GRID)

(TIN), 2 млн ячеек

ячеек практически не ограничено

Качество визуализации

Низкое

Высокое

Высокое

Необходимость в использовании других программ

ArcView 3.x

Нет

Erdas Imagine


вится «узнаваемой» только при использовании данных масштаба 1: 200000 и крупнее. Модели, построенные по данным более мелкого масштаба, хорошо передают структуру хребтов в горных районах, однако узнаются эти хребты только при обзоре их с больших высот — в несколько раз выше самих хребтов (табл. 2.6).
Вообще можно сказать, что при построении ЦМР по отечественным топографическим картам какого-либо масштаба разрешение регулярной модели рельефа должно составлять 0,4 —0,5 мм в масштабе карты. Более крупный шаг сетки приводит к потере «узнаваемости», более мелкий — к излишней трате машинных ресурсов без необходимости.
Растровые изображения. В настоящее время при создании ВММ широко распространена «драпировка» ЦМР растровыми картами либо космическими снимками.
Покрытие ЦМР растровыми геоизображениями очень помогает при ориентации на модели, привнося в ВММ колоссальное количество новых сведений о местности, и делая ее действительно реалистичной.
Драпировка модели картами встречается чаше, так как карты дешевле, их проще обрабатывать и вносить в модель. Использование космических снимков требует больших затрат на их закупку, обработку, сшивку и различные виды коррекции. Однако реалистичность модели, драпированной аэро- или космическими снимками, гораздо выше, чем у модели, в которой использовались топографические карты.
Как правило, в драпировке модели участвует несколько растровых изображений. Для их использования в ВММ необходимо привязать каждое из них к избранной системе координат, после чего, как правило, изображения объединяются в одну или несколько мозаик более мелких снимков. Делается это, в основном, по двум причинам: меньшее количество файлов проще и быстрее обрабатывать; некоторые программы не могут использовать в моделях наслаивающиеся друг на друга растры (Virtual GIS) или делают это некорректно.
При построении мозаичных изображений в настоящее время применяются алгоритмы автоматического взаимного выравнивания гистограмм, что позволяет сделать линию стыка изображений невидимой. После построения мозаики ее цвета могут быть скорректированы в любом графическом редакторе (например, Adobe Photoshop).
Для того чтобы карты, натянутые на модель, смотрелись четко и красиво, сканирование бумажных карт должно вестись с разрешением не менее 300 точек на дюйм.
Оптимальным соотношением между разрешением цифровой модели рельефа и разрешением растров является отношение 1:4 — 1:8,

Узнаваемость местности в зависимости от масштаба

Масштаб
карты

Разрешение регулярной ЦМ Р, оптимальное для данного масштаба, м

Узнаваемость и обзор

1:5 000000 и мельче

2000 и более

Узнаются планетарные формы рельефа и крупные горные массивы (Гималаи, Анды и др.). Необходим обзор с большой высоты (50 — 200 км), с большим охватом (дальность видимости 800 — 2000 км)

1:2 500000 и DCW

700- 1000

Узнаются крупные и средние горные системы (Кавказ, Алтай, Саяны и др.), могут быть идентифицированы отдельные крупные горы (Килиманджаро. Ключевская сопка, Эльбрус). Обзоре высоты 30 — 80 км, дальность видимости 150—400 км

1:1000000


Видны и узнаваемы отдельные крупные долины и большое число отдельно стоящих гор. Рельеф низменностей и среднегорий остается вырожденным. Высота облета 10—30 км, дальность видимости — 100—150 км
/>1:500000
250

Горные хребты узнаваемы, отражаются все крупные и средние долины в горах с альпийским рельефом.Отдельные характерные участки местности отражаются реалистично. Возможен облет местности на высотах ниже вершин хребтов. Рельеф низменностей выражен, но неточен. Высота облета 1000 — 10 000 м. Рекомендуемая дальность видимости — 100 км

1:200000

70- 100

Местность хорошо узнаваема при облете, видны речные долины в средней полосе России. Горный рельеф показан с большой точностью и выглядит эффектно. Рекомендуемая высота полета 100 — 10000 м над поверхностью земли в горных районах и нс ниже 1500 м — в низменных районах

1:100000

40-50

Степень подобия рельефа горных участков суши возрастает по сравнению с рельефом, построенным по карте масштаба 1:200 000, однако принципиально новых деталей нс появляется. В равнинных районах наблюдается качественно новый уровень передачи рельефа речных долин и мелких форм (курганы, бугры, овраги). Высота облета и радиус видимости тс же, что и в модели 1:200000

1:50 000

20-25

Дальнейшее увеличение правдоподобия модели


т.е. при разрешении ЦМР 100 м растр должен иметь разрешение 12 —25 м на местности.
Векторные данные. Отметим сразу, что использование векторных данных в виртуальных моделях требует значительных затрат машинных ресурсов. В большинстве случаев работает следующая закономерность: за одинаковое время будут просчитаны следующие ВММ: ЦМР модели объемом 100 Мб без растров и дополнительных данных; ЦМР модели объемом 50 Мб с 200-мегабайтным растровым изображением; ЦМР модели объемом 20 Мб с 80-мегабайтным растровым изображением и 3 — 4 мегабайтами векторных данных; ЦМР модели объемом 20 Мб с 3—4 мегабайтами векторных данных и 3 — 4 Мб дополнительных сложных объектов (трехмерные дома, сложные строения и конструкции и т.п.).
Внесение векторных данных в модель может происходить в двух основных формах.
А.              Данные могут быть «натянуты» на поверхность рельефа (как и растровые изображения).
Б. Данные могут быть «вытянуты» над поверхностью рельефа пропорционально некоторой характеристике в таблице атрибутов (например, мы имеем план города, где контуры зданий даны в виде полигонов, а атрибутом каждого полигона является высота — в этом случае при нанесении на ЦМР мы увидим на месте домов параллелепипеды и призмы, имеющие высоту, близкую к реальной, что позволяет быстро «построить» город или несколько населенных пунктов на территории, не занимаясь нанесением каждого дома).
После внесения векторных данных полученные объекты могут быть отображены в модели с использованием различных изобразительных средств — например, цвета либо заливок или штриховок, что позволяет одновременно показывать в модели большое количество данных об этих объектах.
Наиболее часто внесение векторных данных в ВММ используется для показа населенных пунктов, далее (по частоте применения) следуют озера (их представляют как площадные объекты), реки, трубопроводы, железные и автомобильные дороги (как линейные объекты) и т.п.
Подписи. ВММ требуются подписи так же как и картам. Однако внесение подписей в ВММ имеет свою специфику. Основными ее чертами являются: нефиксированное положение точки, с которой ведется наблюдение (полет по ВММ возможен в любом направлении); низкая емкость ВММ в отношении подписей — модель быстро перегружается топонимами, переставая читаться и адекватно восприниматься пользователем; перспективность изображения, при которой далеко расположенные подписи могут быть просто нечитаемы, в то время как близко расположенные могут занимать все поле обзора.
Действительно, классическая карта предназначается для рассматривания только с одной позиции, в то время как модель может быть визуализирована с любого направления. Для устранения этого недостатка применяется не горизонтальное, а вертикальное расположение подписей на модели (подписи располагаются подобнодорожным знакам), при этом они автоматически поворачиваются перпендикулярно направлению обзора во время движения по модели.
Другие недостатки модели неустранимы, их следует просто знать и учитывать при ее создании. В качестве методов их уменьшения можно рекомендовать следующие приемы: использование более компактных и жирных шрифтов (например, MS Sans Serif Bold); написание подписей в несколько коротких строк, а не в одну длинную;
. использование ярких цветов (красного, фиолетового, тепложелтого) для повышения различимости подписей; увеличение разрешения окна визуализации (при размере кадра 1600 х 1200 подписей может быть вчетверо больше, чем при размере 800 х 600).
Кроме того, для повышения различимости подписей можно рекомендовать отображать их различными цветами в зависимости от класса именуемого объекта (горы подписывать красно-коричневым цветом, города — красным, объекты гидрографии — синим и т.д.).
При построении модели в Erdas Imagine подписи готовятся отдельно. Для этого в базовом модуле Erdas Imagine создается так называемый файл аннотаций (Annotation tile), который состоит из точек-центроидов подписей к карте, атрибутами которых является сама подпись, ее координаты, тип, цвет и размер шрифта и прочие вспомогательные элементы. Подобный файл может быть внесен в модель как в классической ориентации (плоские подписи), так и в вертикальном виде.
Визуализация ВММ. В настоящее время наиболее популярными являются следующие способы визуализации трехмерных моделей местности: Трехмерная статическая сцена (ЗО-вид).
Б.
Облет в реальном времени. Объезд в реальном времени.
Г. Запись полета по траектории с возможностью смены направления полета в любой момент.
Д. Запись полета в видеофайл без возможности изменения направления полета.
А.              Трехмерная статическая сиена (ЗР-видУ Подобная визуализация является самой распространенной. ArcView 3D Analyst, AutoCAD, 3D-Studio MAX, MultiGEN и прочие программы, упоминавшиеся выше, позволяют визуализировать модели местности (рельеф с нанесенными на него объектами). Данный вид визуализации не требует большой вычислительной мощности компьютера и может происходить в течение нескольких минут (3D-Studio МАХ).
Б. Облет в реальном времени. Облет местности осуществляется в Erdas Imagine Virtual GIS по аналогии с полетом на вертолете, т.е. возможна остановка, зависание и разворот на одном месте, однако направление полета при этом идет только вперед по направлению обзора — таким образом, смотреть вперед и лететь вбок нельзя. В MultiGEN существует целый набор моделей движения — аналогов ракеты, самолета, вертолета и даже летающей тарелки.
Данный вид визуализации наиболее требователен к ресурсам компьютера, так как для его реализации необходим просчет 15 — 25 кадров в секунду. Написание программ для обработки трехмерных сцен в реальном времени значительно сложнее, и потому реализовано только в двух из упоминавшихся программ — в Erdas Imagine Virtual GIS и MultiGEN. Кроме того, поскольку мощности современных компьютеров пока что недостаточны для полноценной визуализации неограниченных наборов данных, приходится прибегать к различного рода ухищрениям, позволяющим не просчитывать несущественно влияющие на вид сцены данные. При недостаточной мощности компьютера облет становится «рваным», количество кадров, отображающихся на экране за 1 с, начинает падать — с 15 —25 до 1 кадра в секунду и менее.
Основными методами увеличения скорости обработки моделей и их визуализации являются следующие: 1) ограничение радиуса видимости; 2) понижение степени детализации модели; 3) уменьшение размера кадра; 4) сегментация; 5) применение TIN-моделей. Рассмотрим их более подробно. Ограничение радиуса видимости позволяет не анализировать все данные модели, а ограничиваться частью, увеличивая скорость счета в несколько раз (на крупных моделях). Понижение степени детализации модели. В ряде случаев степень детализации модели может оказаться излишне подробной. Такая ситуация может возникнуть при облете местности на большой высоте (когда отдельные элементы рельефа становятся меньше размера 1 пиксела кадра) или при разрешении модели, большем ее действительной наполненности данными — такая ситуация может возникнуть, если по векторным данным о рельефе карты масштаба 1 :200000 была построена регулярная модель рельефа с размером ячейки 30 м (см. выше). В этом случае уровень детализации может быть снижен в 3,3 раза (до 100 м), что увеличит скорость работы в 10 раз. Уменьшение размера кадра. Уменьшение размеров кадра вызывает пропорциональное уменьшение времени, необходимого для вычислений. Так, изменение размера кадра с 800 х 600 до 1024 х 768 пикселов вызовет замедление работы в 1,63 раза. Для достижения необходимого эффекта «большого экрана» можно также применить следующий способ: понизить разрешение самого монитора (тогда картинка останется большой, слегка уменьшив детальность), либо просчитывать «широкоформатные кадры» — кадры, в которых отношение ширины кадра к его высоте равно не 4: 3, а 16:9. Сегментация. В настоящее время сегментация дает наиболее впечатляющий прирост скорости. Суть метода состоит в разбиении ЦМР и наложенных на нее растров на фактически независимые сегменты небольшого размера (512x512, 1024x1024, 2048x2048 пикселов). Для каждого сегмента записываются исходные данные с начальным разрешением, а также копии этих данных с разрешением, падающим в 2, 4, 8, 16 и более раз. При визуализации сцены сегменты, находящиеся близко от наблюдателя, визуализируются с полным разрешением, а сегменты, находящиеся дальше — со все понижающейся детальностью. Однако из-за влияния перспективы понижение разрешения модели с увеличением отдаленности от наблюдателя остается незаметным. Таким образом, изначальный объем данных фактически затрагивается лишь частично. Такой способ требует дополнительной подготовки данных, и реализован в настоящее время в Erdas Imagine Virtual GIS и MultiGEN. Применение TIN-моделей как правило дает неоднозначный результат, зависящий от типа местности, степени ее регулярности и «разорванности» форм рельефа. Суть метода состоит в том, что изначальная регулярная модель данных разбивается на сеть мелких треугольников, после чего грани, угол между которыми становится меньше некоторой величины, сливаются в одну плоскость. Такой метод позволяет отображать только действительно важные формы рельефа, экономя память на больших однородных поверхностях (склонах, плоских участках). Однако в ряде случаев подобный подход не дает ощутимой экономии (крайне нерегулярная местность) либо приводит к вырождению рельефа. Алгоритмы визуализации нерегулярных моделей работают в несколько раз медленнее аналогичных алгоритмов для визуализации ЦМР регулярного типа. Кроме того, следует отметить, что ЦМР регулярного типа обычно выглядит более естественно, тогда как TIN-модель оставляет ощущение искусственности. Все это приводит к тому, что TIN-модели редко применяются при визуализации.
Совокупное использование первых четырех методов дает хорошие результаты, позволяя уже в настоящее время моделировать облет местности на вертолете с высоким пространственным разрешением рельефа и наложенных на него растровых карт либо космических снимков.
В.              Объезд в реальном времени. Эта функция предлагается пользователям Erdas Imagine Virtual G1S и MultiGEN. Режим объезда в реальном времени отличается от облета в реальном времени только высотой расположения наблюдателя (при полете она может меняться, а при объезде остается постоянной и очень малой — несколько метров над землей). Этот режим позволяет имитировать нахождение наблюдателя на земле без риска «врезаться» в нее при неаккуратном маневре. Методы ускорения просчета те же, что упоминались выше.
Г. Запись полета по траектории с возможностью смены направления полета в любой момент. Применяется при демонстрационных показах для многократного повторения сложной трассы полета. Для этого записывается линия траектории полета (ломаная), причем для каждого узла ломаной задается высота над уровнем моря, над землей, скорость, углы разворота, крена и тангажа (для обзора местности не перед собой, а под собой или даже сзади себя), угол обзора, плановые координаты на местности. Поскольку сменить во время интерактивного полета угол обзора и иметь постоянный крен или тангаж нельзя, использование этого режима позволяет несколько расширить возможности облета. Так, в режиме облета по траектории можно выполнить «наезд» камеры на нечто интересующее пользователя, задать постоянный крен, тангаж, выполнить «бочку», «колокол», «кобру», по аналогии с известными терминами из высшего пилотажа (в Virtual GIS эти фигуры невыполнимы ни в каком другом режиме). Методы ускорения те же, что и при интерактивном облете в реальном времени.
Д. Запись полета в видеофайл без возможности изменения направления полета. Такой способ визуализации используется, если:
пользователь хочет осматривать виртуальную модель на машине, не оснащенной специальным программным обеспечением;
модель чрезмерно велика и все способы ускорения работы не дали желаемого эффекта.
Запись полета производится в AVI-файл (видео ;щя Windows), или в последовательность отдельных кадров (TIF, BMP). Для уменьшения необходимого дискового пространства возможно применение программ-кодировщиков видео, позволяющих сжимать поток данных кодеками AVI, или преобразовывать его в форматы данных типа MPEG I, 2, 4.
Положительными свойствами такого способа визуализации является его нетребовательность к машинным ресурсам и практическая неограниченность времени обработки, отрицательными — невозможность изменения один раз записанной траектории облета и увидеть что-либо еще.
Использование специальных объектов. Известно, что при создании виртуальной модели местности возникает необходимость в отображении специальных объектов, таких как конструкции и строения сложной формы, деревья и прочие дискретно расположенные предметы. Несомненно, это ведет к повышению реалистичности.
Как правило, к программам для работы с виртуальными моделями местности прилагается набор типовых моделей домов, техники и пр. При необходимости модель можно нарисовать в другой программе (например, в AutoCAD, 3D-Studio MAX, Microstation), после чего ее можно будет импортировать в модель местности. Нужно отметить, что просчет специальных объектов также очень требователен к ресурсам компьютера и замедляет просчет сцены.
Рисование деревьев как трехмерных объектов (каждая ветка рисуется гранями и вершинами) неэффективно, так как даже небольшой лес из 30—40 таких деревьев способен привести машину в неработоспособное состояние. Рисование деревьев лучше осуществлять как установку на местности двух взаимно перпендикулярных растровых изображений с деревом. Подобная модель издалека смотрится как настоящее дерево, но просчитывается в несколько раз быстрее.
Использование специальных эффектов. К специальным эффектам относят следующие. Lens Flare (блики линзы) — в природе данный эффект можно наблюдать при попадании солнца в объектив камеры, когда происходит многократное отражение света в призмах и линзах. Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN, 3D-Studio MAX и пр. Fog (туман) — эффект сильного тумана или воздушной дымки. Может быть использован как для повышения реалистичности сцены, так и для сокрытия эффекта «обрывания» горизонта при малом радиусе видимости. Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN, 3D-Studio MAX и пр. Background (фон) — в качестве фона можно использовать равномерный цвет, градиентную цветовую заливку или задаваемое пользователем изображение. Heads-Up-Display (указатели тангажа и курса) используется для имитации навигационных приборов самолета. Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN. Sun Positioning (положение солнца) кроме интерактивного задания положения и силы источника освещения позволяет точно задать освещение для точки с заданной широтой и долготой на определенный год, месяц, день, час и минуту (например, на 12 ч 48 мин 20 февраля 2004 г., г. Москва). Может быть применен в Erdas Imagine Virtual GIS. Headlight (налобный фонарь) устанавливает источник света в точке, в которой находится пользователь. Water layer (затопление сцены) позволяет затапливать водой все участки сцены, находящиеся ниже заданной высоты. Возможно плавание под водой. Поверхность воды может быть либо прозрачна, либо драпирована текстурой. Регулируется прозрачность воды. Кроме того, под водой могут быть расставлены и дополнительные объекты, натянуты векторные слои (Erdas Imagine Virtual GIS, MultiGEN). Blend (прозрачность текстуры) позволяет регулировать прозрачность наложенных растровых слоев в интерактивном режиме. Использование этого эффекта позволяет интерактивно произвести «перетекание» текстуры модели, например, от топографической карты к композитному изображению «карта-снимок» и далее к снимку. Реализовано в Erdas Imagine Virtual GIS.
Использование векторных объектов (Erdas Imagine Virtual GIS). Для использования векторных данных в виртуальной модели местности предусмотрен ряд функций. Как отмечалось выше, векторные данные могут быть «притянуты» к поверхности земли, а могут стоять на ней, причем их высота будет пропорциональна величине характеристики, записанной в одном из полей таблицы атрибутов каждого из векторных слоев. Кроме того, каждый векторный слой может иметь свою легенду (основное изобразительное средство — цвет).
После добавления в модель векторных данных к ним могут быть применены стандартные запросы с использованием математических, логических и прочих функций. Выделенные объекты меняют свой цвет и при облете местности выделяются среди прочих объектов. Также возможно интерактивное выделение объекта прямо на местности (с помощью курсора). Если при этом открыта таблица атрибутов, то для выделенного в окне визуализации объекта появится запись с атрибутами этого объекта.
Ориентирование на модели. Поскольку виртуальная модель местности и карта выглядят по-разному, пользователь, привыкший ориентироваться по карте, может с трудом ориентироваться в трехмерном виртуальном пространстве. Для облегчения этой задачи практически во всех программах положение наблюдателя на модели показывается координатами X, К, Z, а также указывается азимут и вертикальный угол обзора. Однако подобная информация малопригодна, так как пользователь не воспринимает цифровые значения координат, и тем более не способен оценить их изменения.
Для ориентации на местности в Erdas Imagine существует возможность произвести «связывание» окон визуализации ВММ и обычного окна с привычными картами той же местности. После связывания положение наблюдателя и направление его взгляда отображаются в окне на фоне двухмерной карты, позволяя легко ориентироваться в пространстве. Здесь также существует возможность отобразить и область модели, видимую в окне визуализации на двухмерной карте, что позволяет сразу увидеть, какие модели видны на карте, а какие нет.
Примеры создания виртуальной модели местности. В качестве примера может быть приведена виртуальная модель Восточной
Камчатки (район, включающий Кроноцкий вулкан, Кроноикое озеро, Долину Гейзеров, кальдеру Узона и побережье Тихого океана). ВММ построена по оцифрованной топографической карте масштаба I : 200000.
Цифровая модель рельефа построена с использованием горизонталей, точечных отметок высот, урезов воды; учтено наличие на территории озер, постоянных и временных водотоков (рис. 5 цв. вкл.). Построение модели производилось в Arclnfo 8.1. Пространственное разрешение ЦМР — 50 м (избыточное). Вертикальный масштаб —1:1.
В качестве текстуры использованы топографические карты и снимок LANDSAT-7 (рис. 6, 7 цв. вкл.).
Для снимка выполнен синтез голубого, зеленого, красного каналов с разрешением 30 м, и панхроматического канала (разрешение 15 м). В результате полученное изображение имеет разрешение около 15 м на местности. Цвета близки к реальным.
Влияние пространственного разрешения ЦМР и текстуры на вид ВММ показано на рис. 8 — 12 цв. вкл.
Регулирование прозрачности растровых слоев виртуальной модели осуществляется разными способами. В построенной ВММ использовано два растровых изображения — топографические карты и снимок LANDSAT-7 (рис. 13— 19 цв. вкл.).
В заключение отметим такой факт, что в последние годы развитие компьютерной техники идет чрезвычайно стремительными темпами, мощность персональных компьютеров растет очень быстро, и количественные изменения в скорости обработки данных начинают переходить в качественные. Уже сейчас персональный компьютер на базе Pentium 4 с соответствующей конфигурацией способен справиться с обработкой модели, выполненной на территорию размером с половину Европы при детальности рельефа, соответствующей точности топографической карты масштаба I : 100 000, и драпированной космическими снимками с разрешением 10— 15 м. Дальнейший рост производительности компьютеров позволит переходить ко все более обширным и детальным моделям местности, насыщенным огромным количеством трехмерных объектов, дополнительных изображений и снабженных колоссальными базами данных. Степень реалистичности моделей будет возрастать.
Однако дальнейшее увеличение охвата, детальности и реализма моделей, видимо, может быть сдержано их стоимостью, поскольку большее количество данных высокого разрешения (снимки, карты, ЦМР, базы данных, объекты) и трудозатраты на их обработку приведут к лавинообразному росту стоимости этих моделей. Оправданность таких затрат находится под вопросом.
Мнения о целесообразности применения виртуальных моделей в картографии неоднозначны. Несомненно, использование
ВММ в учебном процессе оправдано и уместно, однако дальнейший рост детализации и реалистичности здесь не является необходимым. В большинстве случаев ВММ выполняет роль наглядного пособия.
Применение ВММ в демонстрационных целях и на презентациях чрезвычайно эффектно, и здесь степень реализма модели зависит от степени заинтересованности изготовителя модели в эффекте, который она должна произвести на потенциальных клиентов. Однако по своей сути она также недалека от прочих демонстрационных материалов, используемых на подобных мероприятиях.
В настоящее время наиболее вероятными областями практического применения виртуального моделирования являются: создание культурно-исторических моделей, реалистично восстанавливающих исторические эпохи, события, ландшафты (для музеев, школ, вузов); обучение пилотов различных летательных аппаратов управлению и ориентации на незнакомой местности; особенно это важно для пилотов «малой авиации», летающих в горной местности; стратегическое планирование крупных хозяйственных проектов и войсковых операций (люди, принимающие в подобной ситуации решение, зачастую не обладают навыками работы с классическими картографическими материалами); рекламно-пропагандистская деятельность.
К сожалению, указанные направления на сегодняшний момент остаются практически единственными областями применения ВММ. Трехмерное представление данных и сложность в написании алгоритмов визуализации не позволяют проводить сколько-нибудь серьезный ГИС-анализ на трехмерном изображении.
Контрольные вопросы Что такое виртуальная модель местности? Существуют ли ограничения на размер виртуальных моделей местности или на их детальность? Каковы основные способы ускорения обработки трехмерных сцен? Возможен ли облет ВММ в реальном времени в 3D Studio МАХ? Какие визуальные спецэффекты применяются к трехмерным сценам в Erdas Imagine? Всегда ли увеличение масштаба исходных данных для построения рельефа ведет к увеличению детальности картины? Каков оптимальный размер ячейки ЦМР для построения рельефа по карте масштаба 1:50 000? Перечислите недостатки TIN-моделей. Назовите способы размещения подписей в ВММ и возможные методы увеличения их количества. Из каких программных продуктов возможен импорт трехмерных объектов в ВММ? Перечислите недостатки и преимущества записи облета местности в видеофайл. Каково оптимальное соотношение разрешения ЦМР и текстуры модели? 
<< | >>
Источник: Е. Г. Капралов,  А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов. Геоинформатика: Учеб, для студ. вузов. 2005

Еще по теме Виртуально-реальностные изображения:

  1. 3.2.3.4. Уход в виртуальную реальность/виртуальность
  2. создании и эксплуатации виртуального банка информационных ресурсов. Разработка модели виртуального маршрута и маршрутизации информационных ресурсов
  3. Глава 2 ВИРТУАЛЬНОСТИ
  4. 2.4 Менеджмент виртуального эталона
  5. Отдел II Изображения оплечные
  6. Виртуальная реальность
  7. Виртуальные деньга
  8. Глава 2. Виртуальности
  9. Изображенный мир
  10. 4.3.1. Объемные изображения