CC BY
432
Картография
УДК 528.92:004
КАРТОГРАФИЧЕСКАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ
Дмитрий Витальевич Лисицкий
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотно-го, 10, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой картографии и геоинформатики, тел. (383)361-06-35, e-mail: dlis@ssga.ru
Петр Юрьевич Бугаков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотно-го, 10, ассистент кафедры прикладной информатики, тел. (383)343-18-53, e-mail: kaf.pi@ssga.ru
В статье приводятся основные методы картографической визуализации трехмерных моделей. Рассматривается проблема сочетания наглядных высоко детализированных моделей и знаковых средств при картографической визуализации трехмерных моделей местности.
Ключевые слова: визуализация, трехмерная модель, геоизображение.
CARTOGRAPHIC VISUALIZATION OF THREE-DIMENSIONAL TERRAIN MODELS
Dmitriy V. Lisitskiy
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108, Prof., Dr, head of the department of cartography and GIS, tel. (383)361-06-35, e-mail: dlis@ssga.ru
Petr Yu. Bugakov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108, assistant lecturer, department of applied informatics, tel. (383)343-18-53, e-mail: kaf.pi@ssga.ru
Some basic methods of cartographical visualization of three-dimensional models are considered. The problem of a combination of the highly detailed models and symbols at cartographical visualization of three-dimensional terrain models is considered.
Key words: visualization, three-dimensional model, geoimage.
Технологический прогресс в области электроники и вычислительной техники способствует развитию всех сфер человеческой деятельности. Использование электронных средств получения, хранения, обработки и передачи информации привело как к количественным, так и к качественным изменениям в различных отраслях производства. Так, в геодезии, фотограмметрии и картографии внедрение новых электронных измерительных и вычислительных систем не только оказало влияние на объемы собираемой и обрабатываемой информации, но и позволило получать качественно новую информацию, процесс сбора которой был ранее недоступен для существующих средств измерений. Современные средства трехмерного лазерного сканирования способны формировать
81
Картография
облако точек, на основе которого с помощью специальных программных средств создаются трехмерные модели территорий. Современные космические аппараты, оснащенные радиолокационными и оптико-электронными системами, позволяют производить стереосъемку земной поверхности с высоким пространственным разрешением.
Сбор информации является одним из важных этапов создания картографических произведений. Не менее значимым этапом является визуализация полученной информации. Сущность визуализации заключается в том, чтобы сделать невидимые данные видимыми для человека. Например, построить геоизображение по цифровой модели местности, хранящейся в цифровом виде на электронном носителе. В картографическом словаре [2] дано следующее толкование термина «визуализация»: «Визуализация [visualization, display, viewing] -преобразование невидимых человеческому глазу физических параметров или кодов объекта в удобное для зрительного восприятия черно-белое или цветное изображение». Однако в картографии и геоинформатике часто визуализацией называют сам процесс проектирования геоизображений на основе цифровых данных по определенным правилам и алгоритмам [2]. Так, в толковом словаре по геоинформатике [3] визуализация толкуется как «... проектирование и генерация изображений, в том числе геоизображений и иной графики на устройствах отображения (преимущественно на экране дисплея) на основе исходных цифровых данных и правил и алгоритмов их преобразования».
Благодаря бурному техническому развитию в области трехмерной графики, наиболее перспективной является визуализация трехмерных моделей. Поэтому в данной статье будут рассматриваться методы компьютерной картографической визуализации трехмерных моделей местности.
Под картографической визуализацией трехмерной модели местности будем понимать метод преобразования цифровой трехмерной модели земной поверхности в удобное для зрительного восприятия изображение в соответствии с картографическими законами.
Методы визуализации, применяемые при изготовлении традиционных бумажных карт и физических макетов, подробно описаны в [5-7].
Можно выделить три основных метода картографической визуализации трехмерных моделей.
1. Двухмерная визуализация на дисплее.
2. Трехмерная визуализация в виде физических макетов.
3. Трехмерная визуализация в виде голографического изображения.
Выбор того или иного метода визуализации обусловлен требованиями
к будущему геоизображению: его мерности, специфике, средствам отображения. Кроме того, процесс подготовки визуализации включает в себя настройку ряда параметров, оказывающих влияние на качество получаемого геоизображения, его наглядность и, следовательно, уровень его восприятия человеком.
Двухмерная визуализация трехмерной модели предназначена для получения перспективного изображения участка земной поверхности на плоскости -
82
Картография
дисплее электронного устройства. Переход от трехмерной модели к плоскому изображению осуществляется с помощью проецирования. Быстрое развитие данного метода обусловлено доступностью технических средств визуализации. Графическая подсистема вывода любого современного компьютера способна обработать цифровую трехмерную модель местности и произвести ее визуализацию на дисплее. Существенное влияние на темп развития двухмерной картографической визуализации оказало широкое распространение портативной электроники. Планшетные компьютеры, коммуникаторы, смартфоны, автомобильные навигаторы обладают программными и аппаратными средствами двухмерной визуализации трехмерных моделей местности.
Компьютерная трехмерная визуализация в виде физических макетов стала возможна с появлением так называемых ЭБ-принтеров. ЭБ-принтер - устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной ЭБ-модели. Результатом работы ЭБ-принтера является трехмерный физический объект. В различных моделях ЭБ-принтеров печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов (фотополимеров, термопластика). Более дорогие модели ЭБ-принтеров позволяют строить полноцветные макеты. Принцип трехмерной печати заключается в послойном создании (выращивании) твердого тела. Получаемые макеты обладают высокой точностью (толщина слоя составляет примерно 0,05-0,1 мм) и наглядностью. Трехмерная печать уже сейчас используется в машиностроении, архитектурном дизайне, медицине, картографии. Однако стоимость ЭБ-принтеров очень высока, поэтому широкого распространения они пока не получили.
Одной из перспективных разработок в области визуализации трехмерных изображений является голография. Область применения трехмерных голограмм очень широка. Они могут быть использованы как в сфере развлечений, так и в науке. Использование трехмерных голограмм в картографии существенно повысит наглядность картографических произведений, облегчит работу с ними. Восприятие картографической информации выйдет на новый уровень, поскольку человек будет взаимодействовать уже не с плоской проекцией трехмерного пространства на экране монитора, а с действительно трехмерной моделью. Развитие технологии трехмерной голографии является одним из наиболее важных и приоритетных направлений в области визуализации информации. И хотя в этом направлении имеются определенные достижения, современные средства формирования трехмерного голографического изображения все еще находятся на уровне экспериментальных разработок.
Поскольку технические средства трехмерной картографической визуализации все еще остаются весьма дорогими и находятся на стадии начального развития, то наиболее актуальным является метод визуализации трехмерных моделей на плоскости (дисплее), некоторые аспекты которого будут рассмотрены ниже.
Одно из наиболее важных проявлений визуализации как процесса преобразования цифровой трехмерной модели в плоское геоизображение состоит в оп-
8Э
Картография
ределении оптимального соотношения между наглядностью и знаковостью получаемого геоизображения [1]. Геоизображение, построенное по реалистичной высоко детализированной трехмерной модели местности без использования условных обозначений, обладает максимальной наглядностью и сравнимо с обычной фотографией этой местности. Такое геоизображение передает форму объектов и их некоторые свойства, определяемые визуально, но не способно самостоятельно передать информацию о назначении, структуре, внутренних характеристиках этих объектов. Например, по изображению водоема, полученному при визуализации реалистичной трехмерной модели, нельзя определить его глубину, химический состав воды, происхождение. С другой стороны, условные знаки могут вовсе не иметь визуальной схожести с обозначаемыми объектами реального мира. Однако условный знак, благодаря графическим средствам (форма, размер, ориентировка, цвет, насыщенность цвета и внутренняя структура [5]), способен отобразить дополнительную «невизуальную» информацию. Условный знак объекта является его семантической составляющей. Кроме этого, по сравнению с реалистичными изображениями объектов условные знаки обладают большей метричностью, то есть обеспечивают большее удобство измерения по геоизображению. Так, А.М. Берлянт в своей работе [1] ставит вопрос, «...что важнее для пользователя: иметь максимально наглядное, легко узнаваемое изображение изучаемого объекта или иметь знаковую модель, удобную для измерений?».
Таким образом, можно утверждать, что стремление повысить наглядность за счет уменьшения знаковых средств изображения при визуализации может привести к потере информативности и метричности получаемого геоизображения, а следовательно, к сокращению сферы его научно-практического использования. Возникает проблема сочетания наглядных высоко детализированных моделей и знаковых средств при картографической визуализации трехмерных моделей местности. В настоящее время можно выделить четыре основных подхода к решению сформулированной проблемы.
Первый подход заключается в типизации визуализируемых моделей. В окружающем мире существует огромное количество одинаковых (родственных) объектов, отличающихся между собой лишь незначительными внешними или внутренними признаками. К таким объектам относятся, например, деревья одной породы или типовые панельные пятиэтажные дома. При моделировании и картографической визуализации трехмерных моделей потребуется большое количество ресурсов (временных, машинных и т. д.) для воспроизведения индивидуальных особенностей родственных объектов, а результат такой работы может быть либо не востребован, либо вовсе не различим на фоне общих очертаний объекта. Поэтому имеет смысл проводить типизацию моделей, которая заключается в замене отдельных объектов их собирательными обозначениями, то есть заменять родственные объекты некоторыми типовыми моделями, обладающими основными хорошо различимыми визуальными признаками реального объекта без индивидуальных особенностей. Например, для каждой породы
84
Картография
деревьев создать одну модель, обладающую отличительными внешними признаками. В этом случае при визуализации смешанного леса будут использованы клоны двух-трех моделей деревьев. Такой подход существенно сократит временные и трудозатраты на создание и визуализацию трехмерной модели местности.
Вторым подходом к решению проблемы сочетания наглядных детализированных моделей и знаковых средств при картографической визуализации трехмерных моделей местности является установление зависимости уровня детализации моделей объектов от выбранного масштаба визуализации. При визуализации трехмерной модели местности в мелком масштабе площадной охват увеличивается, визуальный размер моделей объектов уменьшается. В этом случае высокой детализации не требуется, и модель объекта может быть замещена трехмерным условным знаком. Наоборот, при выборе крупного масштаба объекты желательно представлять детально проработанными моделями. Зависимость масштаба визуализации от детализации визуализируемых моделей местности схематически показана на рисунке.
Мельче
Масштаб визуализации Крупнее
А Знаковость
Детализация
моделей
у Наглядность
Рис. Соотношение масштаба визуализации и детализации моделей
Третий подход к решению проблемы сочетания наглядных моделей и знаковых средств при картографической визуализации трехмерных моделей местности заключается в использовании условных знаков в качестве интерактивных элементов для визуализации отдельных реалистичных моделей объектов. То есть визуализация детализированной модели объекта осуществляется по запросу пользователя.
Реализация данного подхода состоит из нескольких этапов.
1. Проектирование интерактивной трехмерной модели местности, содержащей трехмерные условные знаки реальных объектов.
2. Подготовка реалистичных трехмерных моделей объектов.
3. Обеспечение интерактивного перехода от условных знаков на модели местности к соответствующим трехмерным моделям объектов.
4. Визуализация знаковой модели местности.
5. При интерактивном выборе условного знака объекта происходит визуализация соответствующей реалистичной трехмерной модели.
85
Картография
Таким образом, пользователь, работая со знаковым интерактивным геоизображением местности, может при необходимости получить реалистичное изображение любого выбранного объекта.
И наконец, четвертый подход представляет собой использование комбинации условных знаков и реалистичных трехмерных моделей объектов. Например, при картографической визуализации трехмерной модели городской территории исторически и культурно значимые объекты, памятники архитектуры визуализируются в виде наглядных высоко детализированных моделей, а остальные объекты: типовые здания, инженерные сооружения - заменяются трехмерными условными знаками.
Каждый подход к решению проблемы сочетания наглядности и знаковости при картографической визуализации трехмерных моделей местности имеет свои преимущества и недостатки. Выбор необходимого подхода должен осуществляться индивидуально для каждого конкретного случая. Не исключается, что в некоторых случаях достижению оптимального результата при картографической визуализации трехмерной модели местности будет способствовать комбинированное использование нескольких подходов к решению проблемы сочетания наглядных моделей и знаковых средств.
В заключение необходимо также упомянуть другие, не менее важные проблемы картографической визуализации трехмерных моделей местности на плоскости. К ним относятся:
1) выбор вертикального масштаба и масштаба в плане;
2) генерализация объектов при визуализации;
3) выбор проекции визуализации;
4) выбор формы области визуализации;
5) визуализация интерактивных элементов;
6) визуализация анимации;
7) выбор и настройка источников света при визуализации;
8) разрешение готового изображения.
Использование трехмерной графики в картографии делает ее более адекватной окружающему нас миру и существенно повышает наглядность картографического произведения. Повышается качество восприятия информации о пространстве, объектах, процессах, которыми оно представлено. При этом особое место отводится картографической визуализации. В данный момент не существует единых методологических основ картографической визуализации трехмерных моделей местности. Поэтому решение перечисленных проблем в области картографической визуализации является одной из приоритетных задач картографии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берлянт А.М. Свойства визуализации как способа моделирования геоизображений // Геодезия и картография. - 2005. - № 12. - С. 43-52.
2. Берлянт А.М. Картографический словарь. - М.: Науч. мир, 2005.
86
Картография
3. Геоинформатика. Толковый словарь терминов / Под ред. А.М. Берлянта, А.В. Каш-карева. - М.: ГИС-Ассоциация, 1999. - 204 с.
4. Берлянт A.M. Виртуальные геоизображения. - М.: Научный мир, 2001. 56 с.: 2 цв.
вкл.
5. Берлянт А.М. Картография: учебник для вузов. - М.: Аспект Пресс, 2001.
6. Салищев К. А. Картоведение. 3-е изд. - М.: Изд-во МГУ, 1990. - 400 с.
7. Салищев К. А. Проектирование и составление карт. 2-е изд. - М.: Изд-во МГУ, 1987.
240 с.
Получено 01.10.2011
© Д.В. Лисицкий, П.Ю. Бугаков, 2011
87
