Создание видеотренажера по данным наземного лазерного сканирования Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 528:004

А.А. Деговцов, В.В. Загородний, Д.В. Комиссаров СГГ А, Новосибирск

СОЗДАНИЕ ВИДЕОТРЕНАЖЕРА ПО ДАННЫМ НАЗЕМНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Наземное лазерное сканирование является одной из последних разработок для сбора пространственной информации об объектах. Это одна из технологий, которая позволяет получить наиболее полную метрическую информацию об объектах и использовать её в различных сферах деятельности человека.

Задачи наземного лазерного сканирования во многих случаях сводятся к построению трехмерных моделей по данным, которые представляют собой большой массив точек, описывающих объект съемки.

Модели, полученные по данным наземного лазерного сканирования, могут использоваться не только для целей геодезии и проектирования, но и для решения многих прикладных задач. С целью улучшения восприятия моделей, как реальных объектов, они приводятся к фотореалистичному виду, что во многом способствует расширению области применения полученных моделей. Такие модели можно использовать в целях рекламы, создания видеотренажеров и демонстрационных видеороликов.

Области применения трехмерных моделей во многом зависят от используемых для их построения и визуализации программных продуктов, т. е. от их функциональных возможностей.

Одним из наиболее распространенных редакторов в области трехмерной графики, имеющим широкие функциональные возможности, является программный продукт (ПП) 3D Studio Max. Данный ПП позволяет решать широкий спектр задач, связанных с обработкой, проектированием, построением и визуализацией трехмерных моделей. Кроме того, в 3D Studio Max имеется возможность расширить его функциональное назначение путем использования встроенной объектно-ориентированной программной среды, базирующейся на языке программирования C++.

При совместном использовании программных продуктов, позволяющих обрабатывать непосредственно данные наземного лазерного сканирования и ПП 3D Studio Max была построена и визуализирована трехмерная модель Новосибирского биатлонного комплекса (НБК) по заказу спорткомитета г. Новосибирска и Государственной телерадиокомпании в период подготовки к международным соревнованиям по биатлону, которые проводились в феврале 2005 г.

Построение трехмерной модели НБК выполнено по данным наземного лазерного сканирования с целью подготовки спортсменов к соревнованиям, ознакомления зрителей с размерами, конфигурацией и сложностью спортивных сооружений, повышения зрелищности телевизионных трансляций. Использованием трехмерной модели НБК и функциональных

возможностей 3D Studio Max был создан видеотренажер для предварительного просмотра трасс перед началом соревнований. Также смоделированы и анимированы трехмерные схемы трасс.

Трехмерная модель НБК включает модели инженерных и технических сооружений (зданий, мишеней, ограждений и т. п.), растительности и цифровую модель рельефа (ЦМР). Построение трехмерных моделей сооружений по данным наземного лазерного сканирования выполнено в ПП Cyclone. ЦМР была построена с помощью программного продукта Surfer. Полученная трехмерная модель экспортировалась в программный продукт 3D Studio Max для моделирования растительности, окончательной обработки и создания фотореалистичных и демонстрационных видеороликов. Моделирование растительности вдоль трасс производилось в соответствии с ее реальным местоположением, которое было определено при обработке точечной модели в ПП Cyclone. На территории лесных массивов НБК виртуальная растительная среда создана на основе информации о густоте и высоте деревьев, полученной при обработке точечной модели.

Параллельно с лазерным сканированием производилась цифровая фотосъемка НБК. Полученные снимки объектов использовались для создания виртуальных материалов в ПП 3D studio Max с соответствующими текстурами, выполненными либо в растровом, либо в процедурном варианте, и необходимыми свойствами отражения, преломления, прозрачности и т. д. для придания моделям их реальных физических свойств. Созданные материалы использовались для расчета глобальной освещенности, отражения, преломления и рассеивания света при попадании его на модель объекта. Данные характеристики требуются на заключительном этапе создания видеороликов и растровых изображений моделей объектов в ПП 3Ds Max.

Для создания видеотренажера была использована текстурированная трехмерная модель НБК. Схемы трасс были отрисованы в виде сплайнов и спроектированы на поверхность ЦМР, которые использовались для задания траекторий движения виртуальных камер. Сценарий видеотренажера воспроизводит имитацию прохода по всем трассам камерой на высоте среднего человеческого роста. На мониторе на каждый момент времени выводится метрическая информация: удаленность от старта (м), угол следующего поворота трассы в градусах, угол подъема или спуска трассы (градусы) и семантическая информация: направление поворота, спуска или подъема. Также на мини-карту выводится текущее положение лыжника на трассе. Данная информация была получена в результате соответствующих измерений углов поворота, превышений и общей длины трасс по построенной трехмерной модели НБК (рис. 1).

После построения модели НБК и задания параметров виртуальных камер выполнен процесс настройки освещения и визуализации.

На следующем этапе обработки трехмерной модели НБК смоделированы схемы и профили лыжных трасс с целью изучения участниками соревнований маршрутов движения.

Рис. 1. Стоп-кадр видеотренажера

Схемы трасс были построены в соответствии с топографическими материалами, предоставленными заказчиком. При моделировании схем трасс главной задачей было создание не фотореалистичной модели, а более информативное и наглядное отображение характеристик каждой трассы. Построение профилей трасс выполнено в ПП 3D Studio Max путем проецирования сплайнов, характеризующих форму трасс, на поверхность ЦМР. Таким образом, были получены криволинейные трехмерные профили трасс, описывающие повороты и уклоны. Для более наглядного представления профили лыжных трасс необходимо было развернуть в плоскость с сохранением общей длины трассы и уклонов. С целью распрямления криволинейного профиля лыжной трассы была написана подпрограмма с использованием внутренней среды программирования 3D Studio Max. В созданной подпрограмме реализован алгоритм дискретизации профиля, описанного с помощью сплайна, с сохранением входящих и выходящих векторов вершин сплайна в одной плоскости (плоскости проецирования). Алгоритм предусматривает обработку каждого сегмента сплайна отдельно и деление его только в том случае, если разность расстояний между начальной и конечной точкой, и длиной сегмента превышает установленный допуск. Задача решается итерационно до тех пор, пока, ошибка, вызванная кривизной сегмента, не станет меньше допустимой.

После выполнения всех итераций сегменты объединяются в единый сплайн, тем самым, формируя двумерный профиль рельефа.

Построенные схемы трасс НБК транслировались телевидением ГТРК в период проведения Чемпионата Европы по биатлону в 2005 г. В настоящий момент трехмерная модель НБК служит основой для создания интерактивного трехмерного навигатора, который будет использоваться для тренировки спортсменов.

© А.А. Деговцов, В.В. Загородний, Д.В. Комиссаров, 2006