Тикунов В. С. Геоинформатика. Визуализация ВММ. Трехмерная статическая сцена (3D-вид). Облет в реальном времени. Объезд в реальном времени

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу

Визуализация ВММ. В настоящее время наиболее популярными являются следующие способы визуализации трехмерных моделей местности:
A. Трехмерная статическая сцена (3D-вид).
Б. Облет в реальном времени.
B. Объезд в реальном времени.
Г. Запись полета по траектории с возможностью смены направления полета в любой момент.
Д. Запись полета в видеофайл без возможности изменения направления полета.

А. Трехмерная статическая сцена (3D-вид). Подобная визуализация является самой распространенной. ArcView 3D Analyst AutoCAD, 3D-Studio MAX, MultiGEN и прочие программы, упоминавшиеся выше, позволяют визуализировать модели местности (рельеф с нанесенными на него объектами). Данный вид визуализации не требует большой вычислительной мощности компьютера и может происходить в течение нескольких минут (3D-Studio MAX)

Б. Облет в реальном времени. Облет местности осуществляется в Erdas Imagine Virtual GIS по аналогии с полетом на вертолете т.е. возможна остановка, зависание и разворот на одном месте' однако направление полета при этом идет только вперед по направлению обзора — таким образом, смотреть вперед и лететь вбок нельзя. В MultiGEN существует целый набор моделей движения — аналогов ракеты, самолета, вертолета и даже летающей тарелки.
Данный вид визуализации наиболее требователен к ресурсам компьютера, так как для его реализации необходим просчет 15-25 кадров в секунду. Написание программ для обработки трехмерных сцен в реальном времени значительно сложнее, и потому реализовано только в двух из упоминавшихся программ — в Erdas Imagine Virtual GIS и MultiGEN. Кроме того, поскольку мощности современных компьютеров пока что недостаточны для полноценной визуализации неограниченных наборов данных, приходится прибегать к различного рода ухищрениям, позволяющим не просчитывать несущественно влияющие на вид сцены данные. При недостаточной мощности компьютера облет становится «рваным», количество кадров, отображающихся на экране за 1 с, начинает падать — с 15-25 до 1 кадра в секунду и менее.

Основными методами увеличения скорости обработки моделей и их визуализации являются следующие: 1) ограничение радиуса видимости; 2) понижение степени детализации модели; 3) уменьшение размера кадра; 4) сегментация; 5) применение TIN-моделей. Рассмотрим их более подробно.
1. Ограничение радиуса видимости позволяет не анализировать все данные модели, а ограничиваться частью, увеличивая скорость счета в несколько раз (на крупных моделях).
2. Понижение степени детализации модели. В ряде случаев степень детализации модели может оказаться излишне подробной. Такая ситуация может возникнуть при облете местности на большой высоте (когда отдельные элементы рельефа становятся меньше размера 1 пиксела кадра) или при разрешении модели, большем ее действительной наполненности данными — такая ситуация может возникнуть, если по векторным данным о рельефе карты масштаба 1:200 000 была построена регулярная модель рельефа с размером ячейки 30 м (см. выше). В этом случае уровень детализации может быть снижен в 3,3 раза (до 100 м), что увеличит скорость работы в 10 раз.
3. Уменьшение размера кадра. Уменьшение размеров кадра вызывает пропорциональное уменьшение времени, необходимого для вычислений. Так, изменение размера кадра с 800х600 до 1024х768 пикселов вызовет замедление работы в 1,63 раза. Для достижения необходимого эффекта «большого экрана» можно также применить следующий способ: понизить разрешение самого монитора (тогда картинка останется большой, слегка уменьшив детальность), либо просчитывать «широкоформатные кадры» — кадры, в которых отношение ширины кадра к его высоте равно не 4: 3, а 16 :9.
4. Сегментация. В настоящее время сегментация дает наиболее впечатляющий прирост скорости. Суть метода состоит в разбиении ЦМР и наложенных на нее растров на фактически независимые сегменты небольшого размера (512x512, 1024x1024, 2048x2048 пикселов). Для каждого сегмента записываются исходные данные с начальным разрешением, а также копии этих данных с разрешением, падающим в 2, 4, 8, 16 и более раз. При визуализации сцены сегменты, находящиеся близко от наблюдателя, визуализируются с полным разрешением, а сегменты, находящиеся дальше — со все понижающейся детальностью. Однако из-за влияния перспективы понижение разрешения модели с увеличением отдаленности от наблюдателя остается незаметным. Таким образом, изначальный объем данных фактически затрагивается лишь частично. Такой способ требует дополнительной подготовки данных, и реализован в настоящее время в Erdas Imagine Virtual GIS и MultiGEN.
5. Применение TIN-моделей как правило дает неоднозначный результат, зависящий от типа местности, степени ее регулярности и «разорванности» форм рельефа. Суть метода состоит в том, что изначальная регулярная модель данных разбивается на сеть мелких треугольников, после чего грани, угол между которыми становится меньше некоторой величины, сливаются в одну плоскость. Такой метод позволяет отображать только действительно важные формы рельефа, экономя память на больших однородных поверхностях (склонах, плоских участках). Однако в ряде случаев подобный подход не дает ощутимой экономии (крайне нерегулярная местность) либо приводит к вырождению рельефа. Алгоритмы визуализации нерегулярных моделей работают в несколько раз медленнее аналогичных алгоритмов для визуализации ЦМР регулярного типа. Кроме того, следует отметить, что ЦМР регулярного типа обычно выглядит более естественно, тогда как TIN-модель оставляет ощущение искусственности. Все это приводит к тому, что TIN-модели редко применяются при визуализации.

Совокупное использование первых четырех методов дает хорошие результаты, позволяя уже в настоящее время моделировать облет местности на вертолете с высоким пространственным разрешением рельефа и наложенных на него растровых карт либо космических снимков.

В. Объезд в реальном времени. Эта функция предлагается пользователям Erdas Imagine Virtual GIS и MultiGEN. Режим объезда в реальном времени отличается от облета в реальном времени только высотой расположения наблюдателя (при полете она может меняться а при объезде остается постоянной и очень малой — несколько метров над землей). Этот режим позволяет имитировать нахождение наблюдателя на земле без риска «врезаться» в нее при неаккуратном маневре. Методы ускорения просчета те же, что упоминались выше.

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу