CC BY
93
Ив62006
А.А. Калинин
Визуализация функционирования территориально-распределенных объектов
В данной статье освещаются вопросы применения систем визуализации данных территориально-распределенных объектов. Описаны основные подходы к построению подобных систем. Особое внимание уделено вопросам формирования изображения на основании справочных данных и определения параметров отдельных объектов. Задача визуализации рассматривается с точки зрения как теории, так и практической реализации.
Экономическая составляющая визуализации данных: управление,прогнозирование, планирование
В современных условиях интенсивность информационного потока, с которым приходится работать специалистам, стремительно возрастает. Актуальным становится вопрос о представлении информации в удобной для восприятия и анализа форме.
Следует выделить несколько уровней управления, на которые ориентированы системы визуализации данных: отдельный объект (здания, сооружение, природный объект, комплекс, организация), местный (группа объектов, населенный пункт), региональный (район, область, регион) и глобальный (экономический регион, федеральный округ, государство) уровни.
Основные экономические задачи, решаемые такими системами, — оперативное управление, формирование и анализ программ комплексного развития, мониторинг экономической среды территорий.
Особенность систем визуализации заключается в трудоемкости интеграции визуальной части системы с подсистемой сбора данных, в их систематизации и поддержке принятия решений.
В случае для систем поддержки принятия решений с использованием имитацион-
ных моделей общая схема выглядит следующим образом: к подсистемам сбора, структурирования, хранения и визуализации данных добавляются аналитические модули1 и модули формирования отчетов для лица, принимающего решения.
Схема взаимодействия модулей программной реализации подобной системы представлена на рис. 1.
При этом кроме основных компонентов системы, на схеме приведен набор элементов, отвечающих за генерацию состояний в случаях использования имитационной модели:
• шаблоны «миров»,
• шаблоны «объектов»,
• шаблоны «задач моделирования»,
• процесс порождения данных о системе и ее объектах.
Рассмотрим приведенную схему более подробно. Для сбора данных о функционировании реальной системы служат устройства измерения параметров объектов и формирования «картины мира». Непосредственно при первичной обработке (процесс сбора данных: устранение ошибок, структурирование, формирование пакетов) выполняются операции, необходимые для сокращения нагрузки на прочие модули системы.
1 Под модулем подразумеваются программные компоненты системы, предназначенные для обработки данных.
Визуализация функционирования территориально-распределенных объектов
№>62006
Шаблоны «миров»
Шаблоны «объектов»
Процесс сбора данных
Шаблоны «задач моделирования»
Процесс сбора данных о реальном объекте/реальной системе
Процесс порождения данных о системе и ее объектах
База данных и база знаний
Модуль визуализации данных
Внутренняя логика системы
Рис. 1. Схема взаимодействия модулей системы визуализации данных
Так, при отсутствии контроля ошибок, работа аналитической подсистемы будет либо слабоэффективной, либо невозможной. Сгенерированные с помощью имитационной модели данные и полученная от реальной системы информация поступают в базу данных, которая служит основой для построения подсистемы визуализации данных и для реализации управления на основе определенной внутренней логики системы. Затем, из базы данных и по результатам применения внутренней логики системы информация поступает в модуль анализа и, далее, в модуль поддержки принятия решений. После подтверждения проектов решений при наличии в системе эксперта (лица, принимающего решения) или в автоматическом режиме, результаты служат базой для реализации принятых решений. Следует отметить, что описанная структура обладает обратной связью между большинством модулей.
Работать с информацией, представленной в графическом виде, существенно удобней, чем с аналогичными числовыми
или текстовыми данными. Рост числа потребителей геоинформации с различным уровнем подготовки также делает все более важной задачу представления и интерпретации пространственных данных. Данное утверждение становится еще более актуальным, если дело касается разработки системы позиционирования и мониторинга состояний территориально-распределенных объектов. Подобные системы позволяют определять текущее состояние объектов и моделировать их развитие при изменении внешних факторов. Очевидно, что все изменения состояния всех объектов должны быть наглядно представлены пользователям. Кроме того, решать задачу актуализации информации о состоянии объектов, взаимосвязях и взаимодействиях между ними. Иными словами — контролировать обновление параметров отдельных объектов и системы в целом.
Трехмерная визуализация территорий с расположенными на них структурами способна облегчить доступ к геоинформации
Ивб 2006
ее потребителям, а также повлиять на планирование и контроль среды (города, района, региона и т.д.), повысить качество управления объектами инфраструктуры. Возможно применение данной системы при решении различных задач:
• экономических, т.е. транспортной задачи, оптимального размещения объектов инфраструктуры, обеспечения устойчивого развития регионов и т. д.;
• экологических, т. е. снижения нагрузки на окружающую среду, поиска источников загрязнения, экологической экспертизы проектов развития и т. д.;
• социально-экономических, т. е. задач анализа социального состава и населения, а также определения перспективных проектов совершенствования социальной инфраструктуры и анализа динамики социально значимых факторов и т.д.
Подходы к проектированию систем визуализации данных
В основе большинства современных систем визуализации данных лежат технологии информационных хранилищ (база данных, база знаний, база образов) и связанные с ними подсистемы визуализации.
Схема основных используемых для построения графического представления типов данных об объектах и их параметрах представлена на рис. 2.
Такая структура позволяет, как отображать реальную систему (задача мониторинга и визуализации данных), так и совмещать ее с данными имитационной модели. Это необходимо для исследования поведения некоторых объектов, непосредственный эксперимент над которыми затруднен или невозможен.
Одна из баз данных содержит трехмерную модель поверхности и отвечает за создание «подложки» при формировании графического представления. Она состоит из модели местности (поверхности Земли) и моделей наземных объектов.
Для формирования трехмерной модели поверхности и находящихся на ней объек-
тов необходимы следующие источники информации:
• 3D-модель местности (поверхности Земли),
• 3D-модель наземных объектов,
• 2D-информация о размещении поверхностных объектов,
• текстуры для 3D-моделей.
Отсюда следует, что моделирование подобных систем требует больших усилий по сбору исходной информации и моделированию отдельных объектов. При этом приближенную модель рельефа можно получить на основе обычных карт высот, однако это скажется на точности построения. В целом, для создания 3D-карт поверхностей могут использоваться различные технологии: космическая съемка, аэрофотосъемка, данные геодезической разведки, прочие источники. Модель поверхности Земли, на которой размещаются городские объекты, можно получить и на основе спутниковых или аэрофотоснимков, наложив их на созданную 3D-модель местности. Модели наземных объектов (здания, сооружения, линии электропередач, мосты и т.п.) также требуют значительных временных затрат и финансовых вложений для их создания.
При моделировании наземных объектов, помимо вопросов, связанных с созданием самих моделей, возникают вопросы ее тек-стурирования. Детализированное текстури-рование необходимо использовать, так как оно дает наиболее близкое к действительности отображение окружающего мира и позволяет эксперту (аналитику) принимать часть решений именно на основе визуального представления. Фотореалистическое текстурирование позволяет создать копию реальных объектов в виртуальном пространстве. Однако создание модели, которая содержала бы мелкие детали конструкций, слишком трудоемкий процесс, а тексту-рирование способно решить эти проблемы, восполняя отсутствующую в модели объекта информацию. При разработке необходимо найти оптимальное соотношение между
А.А. Калинин
1Т-бизнес Ф Экономическое пространство
$
а»
I
О)
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
Нвб 2006
детализацией модели и качеством текстур, но, с одной стороны, нельзя слишком сильно упрощать геометрию модели объектов, а особенно строений, а с другой — нельзя использовать текстуры очень высокого разрешения, так как это напрямую отразится на скорости работы приложения и качестве визуализации из-за увеличения объемов обрабатываемых и хранимых данных.
Вопросы расположения наземных объектов решаются с помощью использования 2D-карт, а также аэрофотоснимков, на основе которых можно определить геометрию объектов, и в дальнейшем правильно их разместить на создаваемой карте. В крайнем случае, можно использовать прямые измерения на местности, однако этот способ возможен при незначительном числе моделируемых объектов.
Процесс подготовки трехмерных объектов зданий достаточно сложен, занимает много времени и требует определенных навыков. Излишняя прорисовка геометрии увеличивает сложность модели, что влияет на скорость отображения. Кроме того, чрезмерное упрощение и типизация модели может привести к утрате сходства с реальным прототипом.
Трехмерное представление местности значительно повышает возможности визуального анализа при изучении и управлении городской (или иной) территорией.
Технические и экономические аспекты подготовки качественных данных, в том числе и трехмерных моделей, еще долго будут оставаться среди самых важных в работе специалистов на различных уровнях управления. Необходимое для 3D-моделирования аппаратное обеспечение уже существует и с каждым днем становится все более совершенным. Сейчас задача исследователей и разработчиков — создание технологий автоматического конструирования 3D-моде-лей с использованием различных данных.
Новую технологию быстрого создания 3D-модели городской среды (Fast 3D City Model Generation) разработали в лаборатории университета Беркли. Для сбора данных используются лазерные сканеры и циф-
ровые камеры, установленные на самолете и наземном транспортном средстве соответственно. С помощью лазера фиксируются расстояния, размеры объектов и прочие геометрические данные, а фотографии необходимы для нанесения текстур фасадов на скелеты этих объектов. Рабочую модель центра города Беркли из 12 кварталов удалось создать за 4,5 часа. Из них на аэрофотосъемку и фотографирование с земли ушло, по словам исследователей, 25 минут. Остальное время потребовалось компьютеру для обработки данных.
Визуализация объектов
Формирование карты высот
Для начала необходимо сформировать карту, содержащую объекты, состояние которых мы и будем отслеживать. Она должна соответствовать реальной карте местности района, что сложнее всего реализовать. Ландшафт можно строить на основании монохромной карты, которая отображает уровень высот в зависимости от интенсивности цвета. В качестве альтернативы можно использовать способ формирования модели местности на основании регулярной сетки. Выбор того или иного способа представления данных ландшафта зависит от используемого инструмента визуализации.
Территориальное распределение объектов
Далее необходимо создать модели объектов (здания, сооружения, дороги, растительность, водоемы) и территориально распределить их в соответствии с реальным их местоположением. При этом можно воспользоваться двумя подходами.
Подход 1. На основании картографических данных (в том числе и аэрофотоснимки) в 3D-редакторе производится размещение всех необходимых наземных объектов. При этом следует отметить, что погрешность, с которой производились снимки, приведет к искажению создаваемой сцены. По данным снимков невозможно точно установить положение объектов в силу угла съем-
А.А. Калинин
Визуализация функционирования территориально-распределенных объектов
НвВ 2006
ки, атмосферных искажений, отбрасываемых теней и др. В результате формируется трехмерная модель карты поверхности с размещенными на ней объектами. В реальных условиях объемы данных оказываются слишком большими и не позволяют напрямую визуализировать подобные сцены. Поэтому этот подход работает лишь в ограниченном числе ситуаций.
Подход 2. На основании картографических данных наполняется база данных, в которой хранится информация о каждом объекте в следующем виде: тип объекта; его координаты; ссылка на модель и необходимые текстуры, если это необходимо. После этого при запуске приложения происходит первоначальная визуализация модели местности, а в дальнейшем, при активации интересующих пользователя слоев, формируется запрос к базе данных и визуализация объектов, отвечающих требуемым параметрам, выполняется на основе данных, полученных в результате выполнения запроса. Такой способ экономит ресурсы видеосистемы, кроме того, нет необходимости вручную расставлять модели объектов на ландшафте. Требуется лишь внести в базу данных координаты местоположения объектов и ссылки на отдельные объекты.
Визуализация лесных массивов
Лесные массивы формируются с помощью обобщенной модели представления объекта (Proxy Object), так как загружать модель каждого дерева в память не представляется возможным. При использовании данной технологии происходит загрузка модели лишь одного дерева, на основании которой формируется весь лесной массив в целом. Данные о расположении лесных массивов берутся также из базы данных, содержащей информацию об области распространения вида, плотности произрастания и о самом виде дерева.
Визуализация полученного ландшафта
Следующим шагом будет визуализация полученного ландшафта: можно использо-
вать как самостоятельно разработанную оболочку на основе OpenGL или DirectX, так и готовый «графический движок». При использовании того или иного инструмента визуализации необходимо предусмотреть возможность применения алгоритмов оптимизации поверхностей (QuadTree, OctTree). Данные визуализируются средствами OpenGL с использованием набора компонентов GlScene.
OpenGL — стандартная библиотека для всех 32-разрядных операционных систем (для Windows 95 OSR2 и последующих версий), физически присутствует в виде двух динамических библиотек: opengl32.dll и glu32.dll, первый из которых и хранит саму библиотеку. OpenGL является на данный момент одним из самых популярных программных интерфейсов (API) для разработки приложений в области двумерной и трехмерной графики. Стандарт OpenGL был разработан и утвержден в 1992 году ведущими фирмами в области разработки программного обеспечения, а его основой стала библиотека IRIS GL, разработанная Silicon Graphics. Он спроектирован таким образом, чтобы использовать все преимущества любых, даже самых изощренных графических систем. На данный момент реализация OpenGL включает в себя несколько библиотек: OpenGL, GLU, GLAUX и др. С точки зрения программиста, OpenGL — это набор команд, которые описывают геометрические объекты и способ их отображения на экране. В большинстве случаев OpenGL предоставляет непосредственный интерфейс, т.е. определение объекта вызывает его визуализацию в буфере кадра.
Для построения ландшафтной сетки можно использовать несколько подходов: отрисовывать с помощью ломаных линий у-зна-чения координат, использовать загрузку готовой поверхности созданной, например, с помощью 3D-Max и др. Однако эти варианты допустимы лишь в частных случаях, одним из которых может быть небольшой объем визуализируемой карты.
При создании программной реализации системы визуализации данных (рис. 3) автор
1Т-бизнес Ф Экономическое пространство
/
Оболочка
Way.dat
Field
Water.dat
Название
X
У
Z
Название1
х
У I Текстура! Угол поворота Модель, Масшта
I
I / / /
/ /
/ /
I /
/ /
І /
Плотность XI Х2 VI У2
И
-
шт *
■ * - - i
Витр-карта Текстура 20-карта Масштаб ХУ Масштаб Z
SceneObject
*.3DS
MatLib
jpeg
Редактор
Запись файлов, описывающих размещение объектов и их свойства, а также необходимых для них моделей и текстур
:fc у
u
ObjProp
Г ObjData ]
Base
Name.dat
Name.dat
Рис. 3. Схема программной реализации системы визуализации данных
$
О)
І
А. А. Калинин
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
Визуализация функционирования территориально-распределенных объектов
НвВ 2006
использовал компонент GLTerrainRender библиотеки GLScene, так как это позволяет управлять сложностью каркаса поверхности, и, как следствие, качеством получаемой поверхности с точки зрения качества отображения.
Данная система реализована в виде двух подсистем: оболочки среды и редактора представления модели. Вначале рассмотрим редактор представления модели и ее объектов. Он предназначен для удобного редактирования свойств шаблонов объектов виртуальной модели — представления системы {ObjProp) и баз данных по параметрам, событиям объектов {ObjData Base). Доступ и редактирование реализованы через визуальный конструктор.
Оболочка служит непосредственно для визуализации данных моделей. Данные об объектах хранятся в виде наборов XML-файлов (Town.dat, Forest.dat и т.д.). Путем обработки данных файлов происходит формирование скелета объектов (*.3ds — базовый файл скелета, SceneObject — отображения объекта), на которые наносятся текстуры из графических файлов (*.jpeg).
Принципиальная схема процесса формирования изображения приведена на рис. 4.
Доступ к информации по функционированию объектов
Объекты на карте располагаются с помощью слоев. Пользователь может управлять визуализацией необходимых ему в конкретный момент данных. Например, можно выделить следующие типы объектов: 3D-модели, поверхностные {водоемы, земельные участки и т.п.) и линейные {автодороги, линии электропередач). Для организации доступа к информации необходимо сформировать базу данных, содержащую все необходимые сведения по конкретным объектам. Список атрибутов базы данных при этом придется сформировать заранее.
На этапе заполнения карты объектами следует параллельно заносить информацию в базу данных, где в качестве уникального идентификатора объекта можно использо-
Рис. 4. Схема формирования изображения
вать его идентификатор в системе визуализации.
Считывание данных происходит следующим образом: после того как пользователь производит выбор объекта на карте, выполняется определение того объекта, над которым находился указатель мыши в данный момент (выбор по буферу цвета) и выдается его идентификатор, далее по нему организовывается запрос к базе данных для выдачи информации о данном объекте.
