CC BY
73
УДК 528.92:004
РАЗРАБОТКА И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЦЕНТРА ПРОЕКЦИИ ПРИ СОЗДАНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОИЗВЕДЕНИЙ
Петр Юрьевич Бугаков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры прикладной информатики и информационных систем. тел. (383)343-18-53, e-mail: peter-bugakov@yandex.ru
В статье предложен способ определения оптимального положения центра проекции (точки наблюдения) при создании перспективных картографических произведений на основе трехмерных цифровых моделей местности. Определен критерий оптимальности положения центра перспективной проекции. Кратко описаны результаты программной реализации предлагаемого способа.
Ключевые слова: перспективная карта, трехмерная цифровая модель местности, центр проекции, точка наблюдения, программная реализация.
DEVELOPMENT AND SOFTWARE IMPLEMENTATION OF THE METHOD OF DETERMINING THE OPTIMUM POSITION OF THE PROJECTION CENTRE WHEN CREATING OF PERSPECTIVE CARTOGRAPHIC REPRESENTATIONS
Petr Yu. Bugakov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., senior lecturer, department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (383)343-18-53, e-mail: peter-bugakov@yandex.ru
The method for determining the optimum position of the projection centre (point of observation) when creating of perspective cartographic representation based on three-dimensional digital terrain models is offered. The optimality criterion for position of the center of perspective projection is defined. The results of the software implementation of the proposed method are described briefly.
Key words: perspective map, three-dimensional digital terrain model, center of the projection, observation point, software implementation.
Современные перспективные картографические произведения (ПКП) являются высокотехнологичными продуктами, в основе которых лежат научно-методические разработки в области геодезии, фотограмметрии, картографии, трехмерной компьютерной графики. К основным преимуществам ПКП относят формирование у пользователя достоверного представления о пространственных характеристиках, изображенных на них объектов, а также способность обеспечивать более высокую степень узнаваемости объектов при ориентировании на местности. Поэтому перспективные картографические произведения могут быть использованы не только профессионалами, но и пользователями, не имеющими специальной подготовки в области картографии. Сфера применения
ПКП очень широка, она охватывает задачи навигации, туризма, городского планирования, экологии, ландшафтного дизайна, рекламы, военного дела, науки.
В основе любого перспективного картографического произведения лежит трехмерная цифровая модель местности (ТЦММ). В настоящее время технологии и методики создания ТЦММ находятся на стадии бурного развития [1,2,3] и не затрагиваются в данной статье. Однако для создания ПКП большое значение имеет не только трехмерная модель местности, но и способы ее визуализации. Одной из наиболее актуальных задач при создании перспективных картографических произведений является выбор параметров визуализации для оптимизации их информативности и наглядности. К оптимизации информативности относятся работы, направленные на уменьшение площади мертвых зон, основная причина появления которых заключается в частичном или полном перекрытии проекций одних объектов проекциями других объектов перспективного изображения. Полное устранение мертвых зон возможно только при использовании ортогонального проецирования трехмерной модели местности на плоскость. Однако в таком случае полностью теряется информация о высотах. Поэтому требуется определить такое положение точки наблюдения (центра перспективной проекции), при котором площадь мертвых зон минимальна или она затрагивает только маловажные объекты.
В работах [4,5] был предложен способ построения перспективных карт, в котором определение положения точки наблюдения осуществляется на основе вычислений геометрических величин на множестве вертикальных сечений трехмерной модели местности. Однако практическая реализация данного подхода требует достаточно больших трудозатрат, связанных, в первую очередь, с построением требуемых сечений. Для устранения этого недостатка нами предлагается способ, позволяющий определять оптимальное положение точки наблюдения не по сечениям, а по видимым проекциям визуализированных объектов.
Основная идея способа заключается в построении пробных перспективных изображений ТЦММ из множества предполагаемых точек наблюдения. Выбор оптимального положения центра проекции, для заданных характеристик создаваемого перспективного картографического произведения, осуществляется на основе заранее определенного критерия оптимальности, которым может служить величина Кор1 (1), вычисленная для каждого перспективного изображения:
где п - количество объектов ТЦММ; - видимая площадь /-го объекта; ^ - коэффициент значимости /-го объекта для выбранной тематики перспективного картографического произведения.
Максимальное значение величины Кор1 будет указывать на оптимальность выбора центра проекции при построении перспективного картографического произведения выбранной тематической направленности. Способ может быть изображен в виде схемы, показанной на рис. 1.
п
(1)
Рис. 1. Схема способа определения оптимального положения точки наблюдения
при создании ПКП
Первым этапом определения положения центра проекции (точки наблюдения) при создании перспективных картографических произведений является
подготовка цветовой шкалы коэффициентов значимости объектов. Диапазон и уровни градации значений коэффициентов подбирают в зависимости от количества объектов в трехмерной модели, а также их разнообразия по тематической значимости. Присвоение объекту ТЦММ определенного значения коэффициента осуществляется путем его закраски соответствующим цветом по ранее подготовленной шкале. При этом требуется использовать бестеневое освещение, которое может быть реализовано, например, в редакторе трехмерной графики Autodesk 3ds MAX путем создания источника рассеянного света (стандартный источник света со свойством «Ambient Only»).
Далее выбирают горизонтальный ¥og и вертикальный ¥ov углы обзора в пределах от 18° до 53° (обычно 27° - 30°) [4,5,6]. Угол обзора в обозначенных пределах обеспечит достоверное восприятие масштабов элементов картографируемой модели и глубины пространства. Поскольку картографируемая область ТЦММ, как правило, имеет сложную геометрическую конфигурацию, каждая точка наблюдения при построении проекции должна находиться от этой области на определенном расстоянии для обеспечения рационального использования полезного пространства на получаемом перспективном изображении. Поэтому, исходя из выбранных значений углов ¥og и ¥ov, а также геометрических характеристик вертикальной и горизонтальной проекций ТЦММ, определяют минимальное (Rmi„) и максимальное (Rmax) расстояние от центральной точки картографируемой области ТЦММ до предполагаемых точек наблюдения. В зависимости от желаемой точности определения оптимального положения центра проекции, выбирают количество полусфер с радиусами от Rmin до Rmax , а также частоту параллелей и меридианов, образующих их каркасы.
Точки, образованные пересечением параллелей и меридианов каждой полусферы формируют множество предполагаемых центров проекции М. Для дальнейшей работы из множества M выделяют подмножество N, состоящее из точек, в которых угол наклона луча наблюдения относительно горизонтальной плоскости лежит в пределах от ßmin до ßmax (2).
ß = 20°+ ¥ /2'
ymin 1 1 ovC~)\
ß =65°- ¥ /2 (2)
max ov
где - вертикальный угол обзора.
Выбор данных предельных значений углов обусловлен результатами исследований, описанными в [5]. Важно отметить, что каждый луч визирования, выходящий из какой-либо точки наблюдения, всегда должен пересекать центр проекции ТЦММ, построенной на плоскости, перпендикулярной этому лучу. Это обуславливается, как правило, различием геометрических характеристик видимых проекций ТЦММ, построенных из разных точек визирования. В связи с этим лучи наблюдения не будут пересекаться в одной точке (рис. 2).
Рис. 2. Схема расположения предполагаемых точек наблюдения
на одной полусфере
Далее из каждой предполагаемой точки наблюдения множества N с помощью программных средств визуализации (например, входящими в стандартную комплектацию 3ds MAX) строят предварительное перспективное изображение ТЦММ, предназначенное для определения площади всех видимых областей объектов. Поскольку все изображения были визуализированы с одинаковыми настройками (разрешение, глубина цвета, соотношение сторон и т.д.), то площадь объектов может быть вычислена в условных единицах, путем подсчета количества пикселей каждого цвета. Для ускорения подсчета площади допустимо проводить визуализацию предварительных изображений с разрешением ниже, чем при создании финального перспективного картографического произведения.
Цветовая окраска объектов на этапе подготовки трехмерной модели местности позволила решить сразу три задачи: идентифицировать объекты, вычислить их видимую площадь, а также определить их коэффициент значимости. Коэффициент оптимальности каждого перспективного изображения вычисляют по формуле (1). Точка наблюдения (центр проекции), из которой было построено перспективное изображение с максимальным коэффициентом Kopt выбирается в качестве оптимальной для построения финального варианта перспективного картографического произведения на основе исходной ТЦММ (без цветового выделения объектов). Создание перспективного картографического произведения из оптимальной точки проекции обеспечивает наиболее выгодное отображение местности с минимальной площадью мертвых зон и учетом значимости объектов.
Для автоматизации процесса нахождения оптимальной точки наблюдения по набору перспективных изображений с цветовым выделением объектов нами было создано программное обеспечение, позволяющее вычислить площади видимых областей объектов по цвету, рассчитать коэффициенты оптимальности и найти максимальный из них. Главное окно программы показано на рисунке 3. Программа была написана на языке C++ в среде разработки Borland C++ Builder 6.
Рис. 3. Главное окно программы для определения оптимального положения точки наблюдения
Предлагаемый способ не обладает высокой оперативностью определения оптимального положения точки наблюдения, поскольку предполагает проведение подготовительных этапов, связанных с созданием набора перспективных изображений для вычисления коэффициентов оптимальности. Также снижение оперативности происходит вследствие использования нескольких программных продуктов. Однако данный способ отличается простотой реализации и не требует разработки сложных вычислительных алгоритмов.
Другой подход в программной реализации предлагаемого способа заключается в создании программного обеспечения, основанного на работе с трехмерной графикой с использованием библиотеки OpenGL. Такой подход предполагает расчет коэффициентов оптимальности непосредственно по трехмерной цифровой модели местности без предварительной визуализации. Идентификация объектов происходит по уникальному цифровому коду, присвоенному каждой цифровой модели объекта. При реализации такого подхода требуется использование специальных алгоритмов по обходу вершин, образующих геометрическую форму объектов, формирование выпуклых и вогнутых полигонов, определение их видимости, а также целого ряда математических решений в области трехмерной графики.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Наземное лазерное сканирование: монография / В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
2. Основные проблемы пространственного представления местности в цифровых картографических изделиях / В. Н. Филатов, В. С. Авдеев, Р. С. Мухудинов, В. А. Радионов // Геодезия и картография. - 2007. - № 4. - С. 35-38.
3. Хлебникова Т. А. Технология построения измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ: проблемы и пути решения // Геодезия и картография. - 2008. - № 2. - С. 44-46.
4. Лисицкий Д. В., Бугаков П. Ю. Методические основы цифрового трехмерного картографирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 6. - С. 34-102.
5. Пат. 2485593 Российская Федерация, МПК7 G 06 F 17/30. Способ построения перспективных карт местности (варианты) [Текст] / Лисицкий, Д. В., Бугаков, П. Ю.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». № 2012119224/08; заявл. 10.05.2012 ; опубл. 20.06.13.
6. Евтеев В. И., Зметный А. Я., Новиков И. В. Построение перспективного рисунка. -Л.: Учпедгиз, 1963. - 199 с.
© П. Ю. Бугаков, 2015
