Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МНОГОМЕРНЫЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Косиков А.Г. 1 Ушакова Л.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
В статье рассматриваются методы виртуального моделирования в многомерных пространственно-временных (3D растровых, временных) моделях окружающей среды как варианта тематических признаковых пространств. Обсуждается представление пространственной информации в многомерных пространственно-временных моделях, в которых выделяются многомерные географические модели. Рассмотрены подходы и методы виртуального моделирования для формирования статических и динамических виртуальных геоизображений многомерных географических моделей. Приведены примеры визуализации экспериментальных моделей Земли и Арктики. Рассмотрен процесс виртуального моделирования в реальном времени с использованием виртуальных аудио-видео переменных и различные подходы к виртуальному моделированию значительных по пространственному охвату многомерных пространственно-временных моделей окружающей среды для компьютерных систем различной производительности. Обсуждаются перспективы виртуального моделирования на базе новейших аппаратных средств воспроизведения.
виртуальное моделирование
многомерные пространственно-временные модели окружающей среды
виртуальные геоизображения
картографический дизайн
объемная визуализация
1. Берлянт А.М. Виртуальные геоизображения. – М.: Научный мир, 2001. – 54 с.
2. Берлянт А. М. Глобусы. – М.: ГЕОС, 2006. – 79 с.
3. Берлянт А. М. Теория геоизображений. – М.: ГЕОС, 2006. – 261 с.
4. Косиков А. Идеальные модели реальности для географических исследований // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2014. – № 5. – С. 81–87.
5. Ушакова Л., Косиков А. Картографический дизайн многомерных географических моделей // Геодезия и картография. – 2014. – № 12. – С. 29–37.
6. Volume Graphics / A. Kaufman, D. Cohen, R. Yagel // IEEE Computer. – July 1993. – Vol. 26, № 7. – P. 51–64.
7. Towards Real Time Volume Rendering / R. Yagel // Proceedings of GRAPHICON 1996 Saint-Petersburg, Russia. – July 1996. –Vol. 1, P. 230–241.
8. Ray Casting Architectures for Volume Visualization / H. Ray, H. Pfister, D. Silver, and T. Cook // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. – September 1999. –Vol. 5, № 3. – P. 210–223.

Виртуальное моделирование позволяет выполнять построение различных тематических признаковых пространств [1] и воспроизводить их изменение во времени, а также способно передавать и перемещение наблюдателя внутри этих виртуальных пространств, отображая изменения свойств объектов реального пространства-времени. В качестве таких тематических признаковых пространств можно рассматривать многомерные пространственно-временные модели, представляющие множественную информацию в элементарных пространственно-фиксированных и временно-определённых объёмных ячейках. Прообразами таких моделей можно считать воксельные модели [6], представляющие статичную информацию в элементарных ячейках объёма (вокселах, voxels) [7], и доксельные модели, представляющие изменяющуюся во времени информацию в своих объёмно-временных ячейках (докселах, doxels) [8]. В числе многомерных пространственно-временных моделей можно выделить многомерные географические модели, представляющие в элементарных ячейках пространства-времени свойства географической среды.

Среди множества подходов к представлению пространственной информации в данном случае рассматривается подход, при котором многомерная, объёмная на логическом уровне, 3D растровая, временная цифровая модель каждой своей элементарной ячейкой (докселом) описывает состояние всякого заданного элементарного объёма реального пространства в заданные моменты времени. В цифровой записи такой модели каждой её элементарной ячейке соответствует цифровой код, составленный из множества ссылок, указывающих на конкретные значения свойств элементарного объёма реального пространства в заданные моменты времени. На начальном этапе такая модель формируется в виде статичной цифровой записи, описывающей временные состояния объёмных ячеек пространства. Эта запись и становится основой для построения автоматизированного, настраиваемого и самонастраивающегося, развивающегося моделирующего вычислительного процесса, непрерывно её уточняющего, детализирующего и расширяющего [4]. Модель формируется посредством проецирования пространственно-координированных географических данных в логически объёмное, трёхмерное пространство модели. Каждой отдельной модели соответствует своя детализированная структура данных, описываемых элементарной ячейкой модели свойств географической среды.

Виртуальное моделирование в многомерных моделях

Характер представления данных в многомерной ячеистой модели создаёт особые условия для виртуального моделирования, т.е. создания и использования виртуальных геоизображений и виртуальной окружающей среды [1]. Многомерная пространственно-временная модель выступает при этом в качестве упорядоченной по 4D пространственно-временным ячейкам базы данных для виртуального моделирования, в том числе моделирования в реальном времени. В общем случае, как при создании одиночной модели, так и при виртуальном моделировании в реальном времени, при создании двухмерного изображения трёхмерной сцены реализуется определённый пространственно-временной атрибутивный запрос, генерирующий выборку из модели конкретных пространственно-временных ячеек и значений требуемых свойств (признаков), ассоциированных с данными ячейками. Эта выборка может визуализироваться на лету и может быть сохранена в производную, упрощённую, виртуальную модель, подлежащую визуализации в дальнейшем.

Виртуальное моделирование в многомерных моделях предполагает наличие программно-управляемой среды, в которой, посредством особого интерфейса, в формируемых виртуальных сценах обеспечивается интерактивное взаимодействие пользователя с моделируемым пространством и его отдельными объектами, их зрительное, слуховое и осязательное восприятие, а также управление свойствами их отображения. Это взаимодействие осуществляется с применением виртуальных аудио-видео переменных, определяющих графические, анимационные, объёмные, звуковые и прочие эффекты окружающей среды, с помощью которых формируется отображаемое виртуальное геоизображение [1]. Этот интерфейс может включать и инструменты интерактивного редактирования моделей.

Процесс виртуального моделирования в реальном времени на базе значительных по пространственному охвату многомерных моделей высокого пространственного и временного разрешения требует от компьютерных систем высочайшей производительности. Поскольку на современных компьютерах этот процесс может занимать значительное время, то в зависимости от целей виртуального моделирования и определяемых ими свойств отображения результатов этого моделирования может быть рассмотрено несколько подходов.

Первый подход предполагает предварительное создание набора двумерных изображений «облёта» модели, снятых по заданной траектории с различных задаваемых ракурсов и позиций условного наблюдателя. Это обеспечивает при просмотре возможность быстрого, управляемого пользователем, перемещения между 3D виртуальными сценами. Недостаток этого подхода состоит в ограниченности возможностей перемещения внутри виртуальной модели числом отснятых 3D сцен и исходными условиями их формирования.

Другой возможный подход состоит в формировании и сохранении дочерней виртуальной 3D модели, производной от исходной многомерной пространственно-временной модели. В этом случае в окне визуализации выполняется просмотр сохранённой виртуальной модели, и перемещение между виртуальными 3D сценами может осуществляться в произвольном порядке по любой выбранной траектории и с любого ракурса, так как 3D сцены в этом случае формируются «на лету». При этом подходе возможно изменение виртуальных аудио-видео переменных и параметров воспроизведения виртуальной 3D сцены в реальном времени. Однако возможности варьирования вариантов визуализации модели в данном случае ограничены пределами конкретной выборки из исходной многомерной пространственно-временной модели в воспроизводимую виртуальную 3D модель. Настройке поддаются только свойства отображения выбранных значений характеристик окружающей среды, а также пространственная протяжённость и временной охват в пределах выбранной части исходной модели.

Более универсальный подход предполагает виртуальное моделирование при генерации моделей из исходной многомерной пространственно-временной модели в реальном времени и их воспроизведение «на лету». В этом случае пользователь может не только настраивать свойства воспроизведения виртуальной модели и виртуальные аудио-видео переменные, но и изменять пространственно-временной атрибутивный запрос на формирование текущей воспроизводимой виртуальной 3D модели в реальном времени. При этом подходе возможен не только просмотр виртуальных изображений исходной многомерной модели, но и возможность её прямого редактирования.

Центром геоинформационных технологий кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова разрабатывается общая концепции создания, функционирования и использования многомерных пространственно-временных моделей окружающей среды. В обоснование концепции проводятся работы по созданию и развитию методов, алгоритмов и программных инструментов построения, пространственного анализа и объёмной визуализации моделей описанного типа, включая: проецирование и геометрические преобразования в пространстве моделей различных видов географических данных (ЦМР, ДДЗ, данных баз временных пространственных данных и пр.), выполнение операций над моделями (пространственных, логических, арифметических, условных и пр.), выполнение видов пространственного и статистического анализа модели, визуализацию многомерных моделей и пр. Экспериментальными приложениями данных исследований являются построения многомерных, пространственно-временных моделей Земли и её полярных территорий с высоким разрешением. В качестве исходных географических данных для построения этих моделей используются цифровые модели поверхностей, данные дистанционного зондирования Земли, а также разнообразные наборы тематических географических данных площадной, линейной и точечной локализации, в том числе наборы временных данных. В этих приложениях отрабатываются методы и алгоритмы создания информационно-ёмких, наглядных и легких для восприятия виртуальных геоизображений, отображающие закодированные в многомерной модели свойства объектов или явлений географической среды с использованием приёмов картографического дизайна [5].

На рис. 1 представлено виртуальное геоизображение, полученное как вариант визуализации многомерной модели Земли в форме виртуального глобуса [2], который можно вращать в окне визуализации в произвольном направлении для просмотра модели с различных ракурсов. Оно сформировано посредством визуализации выборки 3D растровых ячеек экспериментальной модели Земли, коды которых соответствуют заданным кодам поверхностей суши, океана и дна океана, а также кодам некоторых условных форм областей объема Земли.

Поверхности суши и дна океана в данном изображении окрашены соответственно уровням высоты и глубины в заданные оттенки цветов гипсометрической и батиметрической шкал, а ядро и некоторые, условно определённые полости в строении Земли выделены оттенками красного цвета. При визуализации, по пространственному запросу, выполнен фигурный «срез» модели заданной формы, проходящий через центр Земли, для показа ее внутреннего строения. Остальные реальные и условные закодированные слои внутреннего строения Земли оставлены прозрачными, и в разрезе видна только часть срезанных условных слоёв строения и «ядра» Земли. Также отображены закодированные на уровне поверхности суши контуры материков и границы государств, отчётливо заметные на месте среза модели, и сетка географических координат.

Визуализация виртуальных моделей

Процесс виртуального моделирования в многомерной пространственно-временной модели может быть одномоментным и иметь результатом статичное цифровое геоизображение, но может быть и длительным, в том числе интерактивным, процессом при воспроизведении последовательностей геоизображений в окне визуализации. При визуализации многомерных моделей в виде статичных геоизображений, как и при воспроизведении динамических виртуальных геоизображений модели, в окне визуализации должны параллельно отображаться графические элементы, определяющие пространственную, в том числе географическую, и временную привязку, ориентацию и масштаб геоизображения, а также временной отчёт.

pic_28.tif

Рис. 1. Вариант визуализации пространственно-временной модели Земли

Одиночным двумерным геоизображением модели может быть отдельная виртуальная сцена или снимок модели, снятые с заданного ракурса. Такое геоизображение может быть получено в результате выполнения условного атрибутивного запроса, которым должно определяться, будет ли отображаться та или иная ячейка 3D растра в итоговой сцене, какое из значений свойств будет принимать участие в формировании изображения и каким образом это значение будет отображаться на изображении. На основе полученной по запросу выборки, с учётом заданных параметров визуализации, а также условий общей освещённости сцены и дополнительных эффектов, может быть выполнена операция перебора всех выбранных ячеек, находящихся на линии взгляда условного наблюдателя с заданного ракурсом сцены местоположения в логическом 3D пространстве модели для формирования итогового значения цвета элемента растра итогового двумерного изображения. На рис. 2 представлен пример геоизображения, полученный таким способом визуализации для многомерной пространственно-временной модели Арктики.

pic_29.tif

Рис. 2. Вариант визуализации модели Арктики

pic_30.tif

Рис. 3. Геоизображение модели Арктики с точки над Северным полюсом

Итоговое изображение, таким образом, формируется как бы «просвечиванием» пространства модели. Посредством выполнения пространственно-атрибутивного запроса к многомерной модели могут быть получены 3D изображения фрагментов модели задаваемой формы, 3D изображения со срезами модели задаваемой формы, 3D и 2D изображения задаваемой формы поверхностей, 2D изображения срезов, 2D карты, снимки и другие варианты двумерных и трехмерных геоизображений модели.

На рис. 3 представлен вариант виртуального геоизображения модели Арктики, полученный с точки взгляда, расположенной над Северным полюсом Земли.

При визуализации многомерной пространственно-временной модели, помимо её собственных данных, могут также использоваться векторные и растровые геоданные из иных источников пространственной информации. В процессе визуализации формируется совмещённое, гибридное геоизображение, в создании которого могут участвовать 2D и 3D растры и поверхности; 2D и 3D площадные, линейные и точечные векторные покрытия; временные данные; космические и аэрофотоснимки. Изображение этих данных должно генерироваться одновременно с изображением данных многомерной модели в единой системе координат итоговой 3D виртуальной сцены. Использование цвета, прозрачности, вспомогательных эффектов и прочих элементов картографического и художественного дизайна при отображении всех указанных компонентов 3D виртуальной сцены должно обеспечивать читаемость и наглядность сложного, комбинированного изображения.

Особые перспективы для виртуального моделирования, визуализации и построения интеллектуального интерфейса виртуальных моделей окружающей среды открываются с появлением аппаратных средств объёмного воспроизведения, способных отображать информацию не на плоскости, а в объёмах реального пространства, и воспроизводить воспринимаемое объемным изображение.

Разработка методов и алгоритмов виртуального моделирования с целью получения новых видов интеллектуальных геоизображений объёмного воспроизведения, подобно цифровому зеркалу, отражающих пространство, время и свойства окружающей среды, уже в скором времени должна установить новую планку для уровня информативности и степени выразительности дизайна виртуальных геоизображений.


Библиографическая ссылка

Косиков А.Г., Ушакова Л.А. ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МНОГОМЕРНЫЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 2. – С. 164-169;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35808 (дата обращения: 21.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074