Тикунов В. С. Геоинформатика. Актуальные технические проблемы картографической анимации.

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

Актуальные технические проблемы картографической анимации.
Передача данных по сети Интернет. Наибольшие сложности для использования анимации возникают в сети Интернет. Передача готовой растровой анимации высокого разрешения с большим числом кадров по стандартным каналам связи практически невозможна из-за большого объема данных и низкой пропускной способности, что приводит к значительным финансовым затратам. Кроме того, это длительный процесс. Более перспективным методом является передача по каналам связи исходной информации и параметров ее анимирования в каком-либо стандартном и общепринятом программном продукте.
Однако в настоящее время не существует ни одного более или менее общепринятого формата данных для передачи анимации в таком виде, не распространены также и программные продукты позволяющие рядовому пользователю самостоятельно создать анимацию (предположительно, этих продуктов вообще не существует). Проблему в некотором смысле позволяет решить формат VRML предназначенный для передачи по сети Интернет трехмерных моделей и просматриваемый рядом бесплатных (или условно-бесплатных) программ, позволяющих проводить поворот модели, ее масштабирование и приближение к ней. Однако данный формат вообще не предназначен для картографии, очень громоздок и имеет ряд других недостатков.
Передача исходных виртуальных моделей для их последующей визуализации пользователями или специалистами-картографами также весьма затруднена, поскольку несмотря на все ухищрения и методы оптимизации и сжатия даже весьма средняя по размерам и детальности виртуальная модель может занимать объем более 1 Гб, а наиболее крупные модели — десятки гигабайт.
Кроме того, стоимость программных пакетов обработки сложных виртуальных моделей и трехмерной графики (Erdas Imagine, 3D-Studio MAX, MAYA, MultiGEN) достигает десятков тысяч долларов и рядовой пользователь просто не может их приобрести.

Сжатие анимации. В силу вышеописанных причин передача картографических анимаций осуществляется в 99% случаев в виде растрового видеофайла (например, файл AVI) или последовательности файлов-кадров (TIFF). На практике запись видео может производиться в форматы AVI, MPEG, DV и ряд других форматов (RAM, QUICK TIME, WMV), применяющихся для картографических анимаций очень редко.
Формат AVI изначально создавался как формат без сжатия, однако на сегодняшний день в мире существует несколько десятков специальных драйверов-кодеков, поддерживающих различные алгоритмы сжатия, в то время как файлы с данными все равно имеют расширение *.avi.
Для записи анимации в последовательность кадров наиболее часто используется формат TIFF, далее за ним следуют форматы jpg, bmp, tga и др.
Нетрудно подсчитать, что один кадр несжатого видео размером 1280х1024 с глубиной цвета в 24 бита занимает 4 Мб данных. Минимальная рекомендуемая скорость показа анимации составляет 15 кадров в секунду (при меньшем количестве кадров начинает проявляться эффект «скачков» изображения), оптимальная — 25 кадров в секунду. При этом скорость обмена данными с жестким диском должна составлять 60-100 Мб/с. Однако современные жесткие диски способны на обработку лишь 20-28 Мб/с (здесь не рассматривается применение RAID-массивов, так как это чрезвычайно редкая ситуация).
Поскольку полноцветные несжатые кадры и фильмы и в настоящее время не могут воспроизводиться на компьютере со скоростью 25 кадров в секунду, возникает необходимость использовать различные методики сжатия видеоданных, доводя поток информации до 5-10 Мб/с. Декомпрессия изображения осуществляется в режиме реального времени центральным процессором (процессорами) компьютера.
Все алгоритмы сжатия информации разделяют на алгоритмы сжатия с потерей качества и алгоритмы без потери качества. В первом случае добиваются значительного сжатия, но конечное изображение может сильно отличаться от оригинала, во втором — фильм остается неизменным, но достаточного сжатия не достигается.

Алгоритмы сжатия с потерей данных. К ним относятся алгоритмы сжатия MPEG1, MPEG2, MPEG4, Motion JPEG, DV, RAM, семейства кодеков для формата AVI: кодеки серий DIVX, INDEO, CINEPACK. Все они достаточно широко распространены, бесплатны, удобны для использования и обеспечивают значительное сжатие за счет частичной деградации изображения. Для каждого типа анимации рекомендуется попытаться применить различные алгоритмы сжатия, выбрав среди них тот, который привел к наилучшему результату.
Следует отметить, что наиболее качественное изображение и (одновременно!) наилучшее сжатие обеспечивают алгоритмы семейства DIVX MPEG4. Отрицательной чертой их является возможность конфликта программ-декодировщиков с аппаратным обеспечением компьютера, что приводит к некорректному показу изображения или даже к сбою показа. Впрочем, эти случаи чрезвычайно редки.
Практически такой же результат дает использование алгоритма сжатия MPEG2, лишенного указанного выше недостатка. Оба алгоритма требуют для просмотра установки на компьютер драйверов кодеков, не поставляющихся в стандартной комплектации Windows.
Менее качественное изображение и худшую компрессию дает использование кодека CINEPACK. Однако драйверы этого кодека автоматически устанавливаются на компьютер вместе с Windows, и потому пользователь может не утруждать себя поисками необходимого ПО.
Все остальные алгоритмы сжатия в настоящее время доступны, однако не обладают никакими преимуществами перед вышеописанными и потому применяются крайне редко.

Алгоритмы сжатия без потери данных. К этим алгоритмам относится семейство кодеков сжатия типа RLE (Run-length encoding).
Алгоритм сжатия RLE основан на том, что при наличии в изображении идущих последовательно один за другим N одинаковых пикселов цвета К кодировщик производит запись лишь числа повторений N и значения цвета К, экономя таким образом большое количество байтов.
Однако сжатие возможно лишь в том случае, если в изображении часто встречаются цепочки пикселов одного цвета, т.е. изображение достаточно регулярно. Как правило, к таким изображениям относится большинство двухмерных анимаций, где часто применяются однородные цветовые заливки, кадры повторяют один другой (или незначительно отличаются друг от друга). В этом случае сжатие RLE дает замечательный эффект.
Однако при сжатии этим алгоритмом трехмерной графики результат оказывается практически нулевым. Происходит это из-за чрезвычайной неоднородности трехмерного изображения (наличие текстур, теней, быстрая смена точек обзора и т.п.).
Наиболее качественный результат дает применение кодека Autodesk RLE 24 bit, который позволяет сжимать этим алгоритмом анимации с глубиной цвета 24 бита. Широко известный кодек Microsoft RLE предназначен для работы только с анимациями в 256 цветов, причем даже в этом случае изображение часто и сильно загрубляется.

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