Структурное обобщение элементов трехмерных моделей городских территорий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 528.92:004

СТРУКТУРНОЕ ОБОБЩЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

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

Рассматриваются некоторые аспекты генерализации перспективных карт. Отдельно внимание уделяется вопросам структурного обобщения элементов трехмерных моделей объектов городских территорий. Приводятся некоторые примеры структурных элементов городских строений.

Ключевые слова: генерализация перспективная карта, обобщение, структура, трехмерная цифровая модель, городская территория.

STRUCTURAL GENERALIZATION OF THE ELEMENTS OF THREE-DIMENSIONAL MODELS OF URBAN AREAS

Petr Yu. Bugakov

Sibirian State University of Geosystems and Technology, 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

Some aspects of the generalization of perspective maps are considered. Special attention is paid to the structural elements of generalization of three-dimensional models of objects in urban areas. Some examples of the structural elements of urban buildings are given.

Key words: generalization of perspective map, generalization, structure, three-dimensional digital model, urban area.

Генерализация является одним из важнейших процессов, выполняемых при составлении карт. Она проявляется в обобщении качественных и количественных характеристик объектов, замене индивидуальных понятий собирательными, отвлечении от частностей и деталей ради отчетливого изображения главных черт пространственного размещения. Таким образом, генерализация способствует формированию и воплощению в картографической форме новых понятий и научных абстракций [1].

Для традиционных карт теоретическое и научно-методическое обоснование процесса генерализации проработано в достаточно полной мере, однако для перспективных карт, создаваемых на основе трехмерных моделей местности, вопросы генерализации все еще требуют дополнительного рассмотрения.

При создании перспективных карт генерализация выполняется на этапе формирования трехмерной цифровой картографической модели местности [2] и включает в себя [3,4]:

- отбор объектов для перспективной визуализации;

- структурное обобщение трехмерных моделей (уменьшение структурной детализации объекта);

- обобщение качественных и количественных характеристик трехмерных моделей (типизация);

- утрирование или показ объектов с преувеличением;

- пространственную локализацию объектов трехмерной модели местности;

- образно-знаковое моделирование.

Процесс генерализации во многом зависит от картографа, составляющего карту, его понимания содержательной сущности изображаемых объектов и явлений, умения выявить их главные особенности [1]. В связи с этим не все этапы генерализации могут быть однозначно формализованы и представлены в виде алгоритмов. Тем не менее, делаются попытки переложить выполнение некоторых этапов генерализации на вычислительную технику.

Одним из процессов генерализации, поддающихся формализации, является структурное обобщение трехмерных моделей объектов городских территорий. Основная задача данного процесса заключается в упрощении структуры трехмерной модели объекта (например, здания) в зависимости от ряда факторов. Такими факторами могут выступать удаленность объекта от наблюдателя (более точно, угловое расстояние или пиксельное разрешение элементов), а также степень важности объекта с учетом выбранной тематики и назначения создаваемой перспективной карты.

В компьютерной графике обобщение сводится к тому, что оригинальная геометрическая модель каждого элемента объекта подменяется упрощенным представлением, которое обеспечивает необходимое визуальное качество итогового изображения. При этом элементы, находящиеся на значительном удалении от наблюдателя, заменяются полигональными моделями с меньшим количеством граней, а элементы с разрешением меньше одного экранного пиксела, вообще не визуализируются [5]. Стоит отметить, что при уменьшении количества граней визуальное качество трехмерной модели заметно ухудшается, однако по мере удаления от наблюдателя это становится все менее критичным. Для упрощения полигональных трехмерных моделей объектов разработан ряд методов, обзор которых приводится в [5]. Эти методы очень хорошо работают при упрощении моделей объектов природного происхождения, например моделей живых существ, рельефа местности. При обобщении элементов техногенного и антропогенного характера (например, объектов городской территории) требуются методы, рассматривающие модели объектов не просто как полигональные сетки, а как системы функциональных элементов. В этом случае уменьшение детализации будет реализовываться за счет

исключения отдельных малозначимых в данном контексте структурных элементов трехмерных моделей объектов. При первом рассмотрении особенностей городской архитектуры можно выделить следующие внешние структурные элементы строений, пригодные для обобщения: балконы; лоджии; террасы; эркеры; лестницы; пандусы; козырьки и навесы; системы вентиляции; надстройки и пристройки технического назначения; рекламные конструкции; вывески и т.д.

В настоящее время практическая реализация алгоритмов структурного обобщения элементов трехмерных моделей объектов городских территорий встречается в ряде программных продуктов, таких как навигационные системы и компьютерные игры. Однако научно-методические основы данного процесса все еще требуют серьезных доработок.

Некоторые примеры структурного обобщения элементов трехмерной модели здания были рассмотрены в работе [6] (рис. 1, 2). Здесь перед визуализацией трехмерная сцена была разделена на четыре плана, для каждого из которых был выбран свой уровень детализации трехмерных моделей. Так на переднем плане (рис. 1, а) модель осталась детализированной, для второго плана (рис. 1, б) были убраны некоторые структурные элементы, влияющие на общий вид объекта в незначительной степени. На следующем плане (рис. 1, в) геометрическая форма модели максимально упрощается, все внешние элементы отображаются только на растровой текстуре. Модель на заднем плане (рис. 1, г) представлена параллелепипедом без текстуры с заливкой однородным цветом. В данном примере трехмерная сцена была разделена на 4 плана, однако она может быть разделена на произвольное количество планов в зависимости от количества и взаимного расположения моделей объектов местности.

Рис. 1. Уровни детализации трехмерных моделей местности в зависимости

от расстояния от точки наблюдения

Рис. 2. Сравнение степени обобщения деталей трехмерной модели здания

Деление трехмерной модели городской территории на планы лучше выполнять по основным элементам формирования мысленного образа города: улицам, препятствиям (например, линиям побережья и железнодорожным линиям), районам города, узлам (например, площадям, перекресткам) [7]. Такой подход не нарушает визуального восприятия структуры города и легко может быть реализован программно.

Задача структурного обобщения элементов трехмерных моделей объектов городской территории осложняется их мультимасштабностью. Перспективная проекция по своей сути предполагает, что различные точки проецируемого пространства будут находиться на различном удалении от центра проекции. Исключение составляют точки, лежащие на поверхности мнимой сферы, центр которой расположен в точке наблюдения (рис. 3).

Рис. 3. Построение зон условно одинаковых масштабов

Особую трудность с точки зрения реализации структурного обобщения элементов представляют объекты вытянутой или сложной формы, особенно если они ориентированы вдоль линии наблюдения. Например, дорога, проходящая вдоль линии наблюдения, может быть изображена детализированной трехмерной моделью на переднем плане, плоским площадным объектом на среднем плане и линейным условным знаком на дальнем плане перспективной карты. Для решения данной задачи требуется разработка научно-методических основ процессов выделения и обобщения структурных элементов трехмерных моделей объектов городских территорий.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ештокин А.Н. Картографическая генерализация [электронный ресурс] // лекции по курсу Картография. - Режим доступа: http://topography.ltsu.org/kartography/k8.html

2. Бугаков П.Ю. Общая схема технологии создания перспективных электронных карт // Интерэкспо ГЕС)-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 141-131.

3. Лисицкий Д. В., Хорошилов В. С., Бугаков П. Ю. Картографическое отображение трехмерных моделей местности // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 98-102.

4. Бугаков П. Ю. Принципы картографического отображения трехмерных моделей местности // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГТА, 2012. Т. 3. - С. 156-161.

5. Гонахчян В. И. Обзор методов упрощения полигональных моделей на графическом // Труды Института системного программирования РАН Том 26. Выпуск 2. 2014 г. Стр. 159-174.

6. Бугаков П. Ю. Методика создания перспективных карт по 3D-моделям местности: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск: СГГА. - 2012.

7. Lynch, K. The Image of the City. MIT Press, 1960

© П. Ю. Бугаков, 2016