Сергей Наумов, ДАТА+
Мир реальный или мир воображаемый – куда правильнее отнести то, что называется модным словосочетанием «виртуальная реальность»? Виртуальная реальность описывает некоторый мир. Даже если основой для создания виртуальной модели служит информация о реальном окружающем мире (а это вовсе не обязательно, ведь можно смоделировать и полностью придуманный мир), в таком описании всегда много вымысла: упрощения, подмены, обобщения, адаптации. По мере развития технологий картина, сцена, окружение, в которые погружается наблюдатель, попадая в виртуальную реальность, все более напоминают привычную среду. Но все же без воображения не обойтись, оно помогает достроить недостающие фрагменты, превратить картину в узнаваемый мир. Ограничения пока еще существуют – возможно, к счастью, – ограничения программ и аппаратуры, не позволяющие полностью сымитировать реальность и «обмануть» наши органы чувств. Что же мы имеем сегодня? Какие инструменты, какие возможности? И как виртуальность соотносится с конкретными и прозаическими производственными задачами?
Чтобы прояснить картину, стоит упомянуть о двух, на наш взгляд основных, группах средств для создания виртуальных миров. Первая группа – это системы «реального времени». Они созданы специально для визуализации территорий и объектов, симуляции деятельности персонажей и, главное, для предоставления возможности пользователю активно взаимодействовать с этим синтетическим миром: перемещаться в нем, получать отклик на свои действия, благодаря настроенным зависимостям и закономерностям поведения объектов. Эти системы (часто это не просто программы, а программно-аппаратные комплексы, обладающие специальными средствами связи человека и виртуальной среды, например, шлемами, специальными костюмами и т.д.), имеют собственные модели и форматы данных, оптимизированные для приложений реального времени, и требуют специальной подготовки исходных пространственных данных. Примером могут служить программные продукты фирмы Multigen-Paradigm, чей формат данных является стандартом де-факто в системах виртуальной реальности.
Вторая группа – это инструменты, появившиеся как дополнения и функциональные расширения для пакетов, изначально решающих другие задачи, например, для геоинформационных систем или систем обработки данных дистанционного зондирования. В этом случае на первый план выходит простота передачи данных между основным пакетом и модулем, сходство инструментов и логики интерфейса, расширение возможностей базовых программ, простота освоения. В линейке программных продуктов компании Leica Geosystems таким инструментом является модуль IMAGINE Virtual GIS системы ERDAS IMAGINE.
Модуль Virtual GIS состоит из нескольких подпрограмм. Их основное назначение – обеспечить трехмерную визуализацию пространственных данных и дать пользователю возможность произвольно перемещаться в трехмерной сцене, выбирать точку наблюдения, добавлять и удалять пространственные слои и объекты, настраивать внешний вид данных, анимировать движение объектов.
Основным инструментом визуализации является специальный вьюер (Virtual GIS Viewer), в котором отображаются в перспективном виде загруженные в него данные о рельефе, растровые изображения, векторные данные и специальные слои, например слои трехмерных моделей или эффектов атмосферы. Вьюер позволяет отображать любые форматы данных, для которых в ERDAS IMAGINE поддерживается прямое чтение (а их несколько десятков). Помимо обычных инструментов, таких как курсор запроса или инструмент организации слоев, существуют важные и специфичные для этого вьюера инструменты, позволяющие выбрать режим навигации в пространстве (полет или перемещение по поверхности земли), управлять качеством генерируемой картинки, настроить параметры окружающей среды (время суток и освещенность, дымку, цвет неба), настроить анимацию движения камеры или объектов, и другие. Описание данных, подгруженных во вьюер можно сохранить как проект (файл с расширением .vwp), в котором хранятся все пользовательские настройки, порядок и вид слоев, и т.д.
Как и в обычном вьюере ERDAS IMAGINE, логика интерфейса Virtual GIS такова, что пользователь может открывать произвольное число слоев одного или нескольких типов. При этом, из нескольких однотипных загруженных во вьюер слоев операции будут производиться над тем, который был открыт последним, то есть находится «сверху» в списке слоев. Для управления порядком слоев имеется инструмент Организации слоев (View>Arrange Layers…).
Поскольку объемы пространственных данных обычно весьма велики, их непосредственная загрузка во вьюер упирается в ограничения аппаратной части, в основном в размер памяти видеоадаптера. Для отображения больших территорий существует специальное средство, называемое Редактор виртуального мира (Virtual World Editor). Воспользовавшись этим менеджером проектов, в будущую виртуальную сцену можно подгружать неограниченное количество разных слоев: растровые цифровые модели рельефа, снимки, векторные слои, аннотации. Созданный проект можно открыть во вьюере, не беспокоясь о скорости отображения – данные будут оперативно, по мере необходимости, подкачиваться с жестких дисков. Проект Редактора виртуального мира хранится как файл с расширением .vwf. Имя файла создаваемого проекта указывается в начале работы с этим инструментом. Программа создает служебные файлы, поэтому на жестком диске должно быть свободное место.
Итак, какие возможности нам дает модуль Virtual GIS? Исходными данными для проекта могут служить все поддерживаемые программой ERDAS IMAGINE типы данных. Первым слоем во вьюер всегда должна загружаться цифровая модель рельефа (ЦМР). Имеется три способа загрузки растрового изображения: оно может интерпретироваться как ЦМР (DEM), как растровое изображение или как Виртуальная ЦМР (VirtualDEM). Последний режим наиболее интересен, он реализует концепцию уровней детальности: области, находящиеся ближе к наблюдателю, отображаются с большей подробностью, чем отдаленные. Другим плюсом является возможность подключения нескольких ЦМР с разным пространственным разрешением и их бесшовная «склейка». Далее в проект можно подгружать данные в любом порядке – растровые слои, векторные слои, слои аннотаций, специальные слои (о них речь дальше).
Каждый загруженный во вьюер тип данных отображается в меню. Например, после загрузки растрового слоя в меню появляется пункт Растр (Raster), позволяющий управлять контрастом изображения, осуществлять фильтрацию, вызывать редактор атрибутов и др.
Открывая векторный слой можно выбрать один из нескольких способов его отображения в трехмерной модели: «натягивание» (drape) вектора на рельеф; вытягивание по вертикали (extend vertically) на основе значений атрибутов (для контуров зданий в атрибутах можно прописать текстуры, помещаемые на боковые поверхности и крышу вытянутых трехмерных объектов); использование трехмерных координат, хранящихся в векторных данных. Появившийся пункт меню Вектор (Vector) открывает доступ к настройке свойств отображения векторных данных и просмотру атрибутов.
Все типы слоев, которые можно открывать во вьюере Virtual GIS, перечислены в меню File>Open (рис. 1). Это не только растровые и векторные данные, но и слои подписей, моделей, облаков и другие. С точки зрения улучшения возможностей анализа пространственных данных интересны специальные типы данных, специфичные для модуля Virtual GIS.
Рис. 1. Типы слоев, которые могут быть загружены во вьюер Virtual GIS, представлены в диалоге File>Open.
Кроме традиционного представления рельефа в виде регулярной сетки (цифровой модели рельефа – ЦМР) Virtual GIS позволяет представлять рельеф в виде нерегулярной триангуляционной сети (TIN). При переводе растровых данных в TIN сохраняются такие важные элементы поверхности, как границы, перегибы, крутые склоны и др. Использование TIN обеспечивает лучшую детализацию и более высокую скорость отображения при тех же ресурсах компьютера за счет снижения требований к объему памяти (рис. 2). Преобразовать растровую ЦМР в TIN можно с помощью предлагаемой утилиты.
Рис. 2. При одинаковом уровне детальности модель TIN (справа) представляет рельеф значительно меньшим числом треугольников, но с разным распределением – чем ближе к наблюдателю, тем большее их число описывает поверхность.
Наглядным и удобным средством определения видимости из точки, находящейся на или над поверхностью, является инструмент Оценки взаимной видимости (Intervisibility). Для его использования создается специальный слой (File>New>Intervisibility Layer…). В точки наблюдения помещаются «Наблюдатели» (Observers), в свойствах которых описываются углы поля зрения, высоты над поверхностью земли, внешний вид. Положение наблюдателей можно указывать с помощью мыши, явно задавая координаты, или импортировать их из точечного векторного файла. Карту анализа видимости из точек наблюдения можно сохранить в растровый файл.
Слой облаков (Cloud Layer…) позволяет добавить в сцену «объемные» облака разного вида. Такие объекты являются реальными трехмерными телами, придают сцене реалистичность, но отнимают часть аппаратных ресурсов для рендеринга.
Слой водной поверхности (Water Layer…) позволяет имитировать затопление территории с дополнительными эффектами (рис. 3). Есть возможность «затопить» всю сцену на заданной высоте над уровнем моря, либо создать отдельные затопленные до определенной высоты области.
Рис. 3. Слой водной поверхности позволяет имитировать отражения в воде.
Слой логотипа (Logo Layer…) позволяет вставить во вьюер логотип на основе растрового изображения. Эта функция полезна, например, в случае сохранения анимации виртуального проекта в AVI-файл для последующего распространения.
Слой тумана или дымки (Mist Layer…) имитирует толщу тумана. Пользователь может определить нижнюю и верхнюю границы слоя, плотность тумана и цвет (рис. 4)
Рис. 4. Для слоя тумана (здесь он заполняет долины) можно задать плотность, цвет, верхний и нижний уровни.
Возможность включать в трехмерную сцену антропогенные объекты (здания и сооружения, транспорт, объекты инфраструктуры или коммуникаций) помогает заметно оживить сцену, но особенно она важна при моделировании территорий городской и сельской застройки. Слой моделей (Model Layer…) позволяет поместить в сцену трехмерные модели, хранящиеся в одном из популярных форматов (3ds, OpenFlight, DXF, OBJ), определить их положение в пространстве. Поддерживаются текстурированные модели (рис. 5).
Рис. 5. Слой моделей позволяет вставлять в сцену трехмерные модели техногенных объектов.
Удобство и наглядность восприятия пространственных данных зависит от многих факторов. Для сознания людей, чья деятельность не связана с картами, перспективное видение окружающей среды чаще всего наиболее привычно. Они с энтузиазмом воспринимают трехмерные модели местности. Другая группа – специалисты с опытом в чтении и использовании различных карт, – имеет навыки, позволяющие с высокой эффективностью воспринимать присущие картам условности и упрощения. Для первых инструменты, подобные Virtual GIS, часто оказываются удобными для понимания и анализа пространственной информации самого разного происхождения. Например, в трехмерной сцене могут отображаться не объекты местности, а распределение физических величин в трехмерном пространстве, метеорологические характеристики, природные явления. Вторым эти инструменты нужны в меньшей степени, поскольку, по их мнению, они не дают существенного повышения эффективности работы и сокращают количество доступных аналитических функций.
Может возникнуть впечатление, что непосредственно в производстве модуль Virtual GIS излишен. Однако современная деловая жизнь состоит не только из производственных процессов. Ведь демонстрация результатов, убеждение потенциальных заказчиков, отчеты и презентации, при их кажущейся вторичности, являются весьма важными моментами для успешного ведения бизнеса. Не менее важны и задачи тактического планирования, например, в военных областях, и поддержка принятия решений в случае чрезвычайных ситуаций. Трехмерная интерпретация данных и визуальный анализ — это «поле» Virtual GIS. Очень важной характеристикой программы является интерактивность: пользователь может взаимодействовать с трехмерной средой, перемещаться в ней, настраивать ее под свои нужды и сразу видеть и демонстрировать результаты собственных действий.
Перспективы модуля IMAGINE Virtual GIS очень интересны. Скоро компанией Leica Geosystems будет выпущено программное средство, позволяющее публиковать созданные в Virtual GIS трехмерные модели в сети Интернет или на компакт-дисках, то есть предоставлять трехмерные модели пользователям, не имеющим программного обеспечения ERDAS IMAGINE.
