CC BY
130
УДК 528.926:004
Д.В. Лисицкий, П.Ю. Бугаков СГГА, Новосибирск
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В данной статье рассматриваются некоторые проблемы построения трехмерных картографических изображений на основе трехмерных цифровых моделей. В статье также приводится система параметров, которая может применяться в процессе создания трехмерных картографических изображений с целью его оптимизации, а также для управления качеством и эксплуатационными характеристиками получаемых геоизображений.
D.V Lisitsky, P.Yu. Bugakov SSGA, Novosibirsk
THEORETICAL BASIS FOR 3D CARTOGRAPHIC IMAGE DEVELOPMENT
Some problems of 3D cartographic images development on the basis of 3D digital models are considered. The system of parameters is offered which can be used in 3D cartographic imaging for its optimization and for geoimages quality and performance characteristics management.
Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 годы» (ГК № 02.740.11.0735).
В настоящее время популярность трехмерных картографических произведений стремительно растет. Появляются новые программные и аппаратные средства для создания и воспроизведения трехмерной графики, которые в свое время находят применение в картографии. Современные ГИС позволяют использовать технологии трехмерной графики для создания трехмерных цифровых моделей местности по даннымгеодезических и фотограмметрических измерений. Геоинформационные системы в процессе создания трехмерной ЦММ позволяют не только создавать трехмерные модели рельефа, объектов, процессов и явлений, но и импортировать их из внешних файлов, созданных различными редакторами трехмерной графики и анимации. Построенная приближенная модель фрагмента реального мира может быть использована для геоинформационного картографирования с целью создания картографических изображений.
Трехмерные картографические изображения представляют собой универсальный инструмент, который может быть использован для навигации, виртуальных туристических туров, в развлекательных и рекламных целях, в
военном деле и научных изысканиях. Как и традиционные карты, они классифицируются по масштабу, пространственному охвату и по содержанию. Однако трехмерные картографические изображения, в отличие от традиционных карт обладают важной особенностью - они содержат информацию о высоте, то есть третью координату. Таким образом, трехмерные картографические изображения обладают высоким уровнем наглядности и повышают качество восприятия пространственной информации.
В основе любой трехмерной карты лежит трехмерная цифровая модель местности, построенная средствами современных геоинформационных систем и редакторов трехмерной графики. Технологии и методики создания трехмерных моделей местности сейчас находятся на стадии бурного развития. Решением проблем в этой области занимаются разделы геодезии и фотограмметрии. Основной задачей картографии, в данном случае, является создание изображений в соответствии с правилами картографии на основе уже созданной трехмерной модели местности.
В данный момент не существует единых методологических основ решения поставленной задачи. Существует необходимость научного обобщения опыта использования трехмерных цифровых моделей в картографии.
Для достижения оптимального результата при создании трехмерных картографических изображений очень важно подобрать правильное значение таких параметров, как положение луча визирования, уровень детализации моделей, соотношение вертикального и горизонтального масштабов. Неправильно выбранное значение таких параметров может привести к ухудшению наглядности, избыточной или недостаточной детализации, информационной перегруженности или, напротив, к недостаточной информативности трехмерного картографического изображения. Например, выбор неправильного положения луча обзора трехмерной модели при создании картографического изображения может привести к тому, что часть объектов будут скрыты объектами, находящимися перед ними.
Таким образом, требуется разработать единую систему параметров, применяемую в процессе создания трехмерных картографических изображений с целью его оптимизации, а также для управления качеством и эксплуатационными характеристиками получаемых геоизображений.
Для определения данной системы параметров на кафедре картографии и геоинформатики СГГА был проведен эксперимент по выявлению влияния качества модели и конфигурации трехмерной сцены на результат визуализации. Результат визуализации представляет собой интерактивное произведение, видеоролик или статическое изображение и может быть использован как основа картографического изображения.
В ходе эксперимента была проведена визуализация трехмерных моделей:
- Рельефа территории Искитимского района Новосибирской области;
- Группы произвольных зданий;
- Театра оперы и балета г. Новосибирска.
Создание, редактирование и визуализация трехмерных моделей проводилось в редакторе трехмерной графики 3D Studio MAX. Были
апробированы различные варианты размещения луча визирования, проводилась настройка освещения трехмерной сцены, подбирался уровень детализации модели и разрешение получаемого изображения. В процессе анализа результатов эксперимента, были выделены и сгруппированы по области воздействия параметры, представленные в табл. 1.
Таблица 1. Параметры трехмерной сцены
Область воздействия Параметры
Настройка трехмерной модели Вертикальный масштаб и масштаб в плане Детализация моделей Типизация моделей
Настройка содержания карты Генерализация объектов Система условных знаков
Определение положения луча визирования Высота точки наблюдения Угол наклона луча визирования Угол луча визирования по азимуту
Настройка освещения Количество применяемых источников света Положение источников света Тип источников света Интенсивность света
Настройка визуализации Форма области обзора Площадь области обзора Масштаб визуализации Проекция визуализации Разрешение готового изображения
При создании трехмерного картографического изображения очень важно точно сформулировать задачи, которые можно будет решить с его помощью. Необходимо определить место будущего картографического изображения в классификациях по масштабу, пространственному охвату и по содержанию. Точно сформулированные требования к трехмерному картографическому изображению способствует правильному определению параметров трехмерной сцены.
Рассмотрим каждую группу параметров подробнее.
1) Настройка трехмерной модели. К данной группе относятся параметры, оказывающие воздействия на исходный материал процесса создания трехмерных картографических изображений - трехмерную модель.
Модели объектов, создаваемые в редакторах трехмерной графики, находятся в виртуальном трехмерном пространстве, которое имеет собственную систему координат и формируется в памяти компьютера. Единицы измерения этой системы координат выбираются пользователем. Таким образом, современные программные средства работы с трехмерной графикой позволяют создавать математические модели объектов, хранящиеся в цифровом виде в памяти компьютера, в масштабе 1:1. То есть размер модели в виртуальном пространстве графического редактора будет равен размеру объекта в реальном мире.
Любая трехмерная модель объекта обладает, в отличие от двухмерной модели, вертикальным масштабом, который определяет размер модели по вертикальной оси. При визуализации трехмерного геоизображения вертикальный масштаб может быть равным плановому масштабу. Однако часто возникает необходимость в увеличении вертикального масштаба с целью повышения наглядности и уровня восприятия формы рельефа, объектов и явлений, которые отображены на данном геоизображении.
Возможность использования масштаба 1:1 при создании трехмерных моделей позволяет максимально точновоспроизводить малейшие детали моделируемого объекта. Однако объекты окружающего нас мира при детальном рассмотрении настолько сложны, что их моделирование с такой точностью нецелесообразно. Детальная визуализация сложной модели требует значительных технических ресурсов и времени. Поэтому приходится продуманно упрощать контуры, понижать уровень детализации модели в зависимости от назначения, тематики геоизображения, особенностей самого моделируемого объекта и степени его изученности.
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 создании картографического изображения воспроизведение индивидуальных особенностей родственных объектов займет большое количество времени и сил, 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 визуальными признаками реального объекта без индивидуальных особенностей. Например, для каждой породы деревьев создать одну модель, обладающую отличительными внешними признаками. В этом случае при моделировании смешанного леса будут использованы клоны двух-трех моделей. Такой подход существенно сократит временные и трудозатраты, а также облегчит создание и обработку трехмерной модели.
2) Настройка содержания карты. К данной группе можно отнести параметры, влияющие на состав и способ отображения объектов на будущем трехмерном картографическом изображении.
В случае двухмерной карты, масштаб является одним из основных факторов генерализации картографического произведения. При уменьшении масштаба увеличивается площадной охват, увеличивается количество объектов, мелкие детали теряют свое значение и, если их сохранить, затруднится восприятие основного содержания карты. Проявление генерализации заключается в отборе объектов, подлежащих к отображению на картографическом произведении, в обобщении количественных и качественных характеристик.
Трехмерная модель должна быть генерализована не только в плане, но и по высоте. Влияние вертикального масштаба на вертикальную генерализацию носит тот же характер что и влияние планового масштаба на плановую генерализацию. Однако степень генерализации в плане и по вертикали может быть разная. Например, высота луговой растительности не может быть показана на геоизображении с вертикальным масштабом 1:10000. В данном случае луговую растительность можно показать с помощью поверхности, покрытой текстурой, имитирующей вид луга.
При появлении вертикального масштаба возникает необходимость определения правил отбора объектов по высоте в математической форме, в частности в виде количественных показателей - «цензов», определяющих условия нанесения объектов различных категорий на картографическое произведение.
Не менее важную роль в процессе создания трехмерных картографических изображений играют условные знаки. Картографические условные знаки - это графические символы, с помощью которых на карте показывают (обозначают) вид объектов, их местоположение, форму, размеры, качественные и количественные характеристики [1].
На трехмерном картографическом изображении с помощью условных знаков могут быть показаны либо плохо различимые (плохо читаемые) объекты, либо объекты, которые были исключены в процессе генерализации, но местоположение которых необходимо указать на картографическом изображении. Кроме того, условные знаки на трехмерных картографических изображениях могут применяться для обозначения абстрактных, не видимых или не воспринимаемых органами чувств объектов, передачи внутренних характеристик, структуры и иерархии объектов [1].
При формировании системы условных знаков для трехмерного картографического изображения необходимо продумать мерность значков (трехмерные или плоские), их внешний вид, расположение, а также легенду.
3) Определение положения луча визирования. К данной группе параметров относятся количественные показатели, определяющие положение луча визирования относительно трехмерной модели.
При визуализации сложной трехмерной модели, включающей объекты различной высоты очень важно правильно определить положение луча визирования. Выбор неправильного положения луча визирования может привести к перекрытию обзора некоторых участков соседними объектами и тем самым снизить информативность и наглядность создаваемого картографического изображения. Например, остановочный павильон может быть невиден из-за стоящего перед ним здания.
Положение луча визирования определяется высотой точки наблюдения ^ углом наклона луча визирования у и азимутальным углом а. (рис. 1, 2).
визирования
Рис. 1. Положение луча визирования в вертикальной плоскости
/
¿У точка наблюдения
Рис. 2. Положение луча визирования в горизонтальной плоскости
Кроме параметров, определяющих положение луча визирования, следует отметить вертикальный фв и горизонтальный фг угол зрения. Следует заметить, что при у=90° в результате визуализации трехмерной модели мы получим ее ортогональную проекцию, которая может стать основой традиционной карты.
Таким образом, достижение оптимального обзора той или иной территории является сложной проблемой, требующей определения правил расчета параметров, характеризующих положение луча визирования.
4) Настройка освещения. К данной группе параметров можно отнести количество и тип источников освещения, а также их положение относительно трехмерной модели и луча визирования.
Качество изображения, полученного в результате визуализации, во многом зависит от освещения объектов, расположенных в виртуальном трехмерном пространстве. Одна и та же трехмерная модель при различном освещении может выглядеть и, следовательно, восприниматься совершенно по-разному. При неправильном расположении источников света могут исказиться цвета, форма и интенсивность отбрасываемых теней. Могут возникнуть слишком темные или слишком светлые участки. Выбор параметров освещения зависит от
количества объектов, отражательных свойств их материалов, а также от геометрии сцены [3].
Источники света по направлению излучения делятся на направленные и всенаправленные. Направленные источники позволяют сконцентрировать внимание на каком-то определенном объекте и используются в основном для того, чтобы осветить конкретный объект сцены или ее участок. Направленные источники света можно использовать, например, для имитации прожекторов, подсвечивающих здания в темное время суток. Всенаправленные источники света равномерно излучают свет во всех направлениях. Всенаправленные источники света применяются для имитации света от уличных фонарей, пламени и т.д. Для имитирования естественного солнечного света используется система источников света обоих типов. Любой тип источника света имеет такие параметры, как яркость и затухание. Затухание - это параметр источника света, определяющий зависимость интенсивности светового потока от расстояния до источника света.
Таким образом, выбор количества и оптимального положения источников света в сцене является сложной задачей. Неудачное расположение источников света может служить причиной появления слишком темных участков в сцене, при этом сами объекты могут быть плохо видны из-за недостаточной освещенности или, наоборот, слишком яркого света. Поскольку каждая трехмерная сцена обладает своими уникальными геометрическими характеристиками, расположение источников будет разным для различных сцен. По этой причине достаточно трудно разработать определенные правила, следуя которым можно было бы оптимально осветить сцену [3].
5) Настройка визуализации. В данную группу входят параметры, оказывающие влияние на внешний вид готового трехмерного картографического изображения. К параметрам данной группы можно отнести форму и площадь области обзора, проекцию и масштаб визуализации трехмерной модели, а также разрешение готового изображения.
Форма области обзора представляет собой фигуру, внутри которой будет воспроизводиться фрагмент трехмерного картографического изображения. Форма области обзора выбирается в зависимости от назначения картографического изображения, вертикального угла луча визирования, а также формы экрана, на котором будет отображаться трехмерное картографическое изображение. Основные формы области обзора представлены на рис. 3.
Рис. 3. Форма области обзора
Следующий параметр - площадь области обзора зависит от масштаба визуализации, вертикального и горизонтального углов обзора (рис. 1, 2), а также от выбранной формы области обзора. Масштаб визуализации выбирается в зависимости от назначения, а также от физического размера экрана.
Не менее важным параметром является проекция, выбранная при визуализации трехмерной модели.
Проекция трехмерного объекта на плоскость строится с помощью прямых проекционных лучей, которые проходят через каждую точку объекта и, пересекая картинную плоскость, образуют проекцию. Определенный таким образом класс проекций существует под названием плоских геометрических проекций, так как проецирование производится на плоскость, а не на искривленную поверхность и в качестве проекторов используются прямые, а не кривые линии. Многие картографические проекции являются либо не плоскими, либо не геометрическими [4].
Все проекции делятся на два основных класса: параллельные и
центральные (рис. 4, 5). Полная классификация проекций подробно описана в электронном учебном пособии Дёмина А. Ю., Кудинова А. В. «Компьютерная графика».
Рис. 4. Центральная проекция
Рис. 5. Параллельная проекция
Центральная проекция любой совокупности параллельных прямых, которые не параллельны проекционной плоскости, будет сходиться в точке схода.
Параллельные проекции делятся на два типа в зависимости от соотношения между направлением проецирования и нормалью к проекционной плоскости (рис. З.9.):
- Ортографические - направления совпадают, т. е. направление проецирования является нормалью к проекционной плоскости;
- Косоугольные - направление проецирования и нормаль к проекционной плоскости не совпадают.
Последним параметром в данной группе является разрешение готового трехмерного картографического изображения. Под разрешением понимается количество точек, из которых состоит изображение по горизонтали и по вертикали. Чем выше разрешение, тем более точное и детальное изображение можно получить. Разрешение выбирается в зависимости от разрешения дисплея, на котором будет воспроизводиться картографическое изображение. Максимальное качество отображения трехмерного картографического изображения достигается в случае, когда разрешение готового картографического изображения (Ри) равно разрешению дисплея (Рд).
В остальных случаях разрешение Ри будет программными или аппаратными средствами подгоняться под разрешение Рд, что неизбежно ведет к появлению искажений.
В заключение можно отметить, что для практического применения приведенной выше системы параметров в процессе создания трехмерных картографических изображений необходимо определить зависимости и правила выбора значений для каждого параметра. Для этого необходимо:
1) Проанализировать сущность каждого параметра;
2) Выявить зависимости между отдельными параметрами;
3) Провести эмпирическое исследование системы параметров;
4) Определить диапазоны рекомендуемых значений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Картоведение: учебник для вузов [Текст] / А.М. Берлянт, А.В. Востокова, В.И. Кравцова и др.; под ред. А.М. Берлянта. - М.: Аспект Пресс, 2003. - 477 с.
2. Берлянт, А.М. Свойства визуализации как способа моделирования геоизображений [Текст] // Геодезия и картография. - 2005. - №12. - С. 43 - 52.
3. Бондаренко, С.В. 3ds Max 8. Библиотека пользователя (+CD) [Текст] / С.В. Бондаренко, М.Ю. Бондаренко. — СПб.: Питер, 2006. — 608 с.: ил. — (Сер. Библиотека пользователя).
4. Дёмин, А.Ю. Компьютерная графика [Электронный ресурс] / А.Ю. Дёмин, А.В. Кудинов. - Электрон. учеб. пособие. - Томский политехнический университет. 2005. - Режим доступа : http://compgraph.ad.cctpu.edu.ru/index.html
5. Берлянт, А.М. Виртуальное картографирование [Текст] // Природа. -2002. - № 7.
6. Берлянт, A.M. Геоиконика [Текст]. - М.: Астрея, 1996.- 208 с.
7. Берлянт, A.M. Графические модели мира [Текст] // Соросовский образовательный журнал. - 1999. - №4. - С. 65-71.
© Д.В. Лисицкий, П.Ю. Бугаков, 2011
