Использование возможностей применения современных редакторов трехмерной графики и анимации в картографии

УДК 528.926:004

Д.В. Лисицкий, П.Ю. Бугаков

СГГА, Новосибирск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ РЕДАКТОРОВ ТРЕХМЕРНОЙ ГРАФИКИ И АНИМАЦИИ В КАРТОГРАФИИ

D.V. Lisitsky, P.Yu. Bugakov SSGA, Novosibirsk

CAPABILITIES OF MODERN 3D GRAPHICS AND ANIMATION EDITORS AND THEIR APPLICATION IN CARTOGRAPHY

The paper deals with some capabilities of modern 3D graphics and animation technologies to be used for developing dynamic 3D geoimages.

Modern software allows to use 3D graphics and animation in cartography, it enhances the level of geographic information visualization due to its improved "readability".

Joint use of 3D graphics and animation is the basis for visualization of virtual reality -artificial computer world, a man can be absorbed in and interact with.

Карта всегда являлась самым удобным и привычным для восприятия средством отображения мира вокруг нас. Человечество использовало картографические рисунки еще задолго до появления письменности. Об этом свидетельствуют рисунки, выполненные на глиняных табличках, кости, дереве, коре и т.п. Они нередко отличались большим правдоподобием, служили для удовлетворения потребностей, возникавших в процессе человеческой деятельности: для указания путей кочевок, мест охоты и т.п.

В процессе развития технических средств и технологий, облик карты сильно изменился: наскальные рисунки сменились рукописными бумажными картами, потом печатными гравюрами, многокрасочными полиграфическими оттисками, а теперь электронными видеоизображениями и их цветными копиями.

Сейчас используется огромное количество различных типов картографических произведений, разработаны системы классификации. Для обозначения всего множества карт, снимков и других подобных моделей был предложен термин «геоизображения» [1]. Геоизображение — любая пространственно-временная, масштабная, генерализованная модель земных (планетных) объектов или процессов, представленная в графической образной форме.

В зависимости от мерности используемых для создания геоизображения графических средств, а также статичности/динамичности геоизображения можно разделить на четыре основных класса (табл. 1).

К классу статических плоских геоизображений относятся традиционные карты и планы, а также аэро- и космические снимки, радиолокационные, гидролокационные, сканерные изображения и т.п.

Класс статических трехмерных геоизображений объединяет трехмерные графические модели, зрительно воспроизводящие объемность реального мира. К ним относятся блок-диаграммы - трехмерные рисунки местности, стереоскопические модели, голограммы, трехмерные изображения, построенные с помощью компьютера.

Таблица 1. Классификация геоизображений

Мерность графики Статика Динамика

2-х мерная (х, у) Статические 2-х мерные геоизображения Динамические 2-х мерные геоизображения

3-х мерная (х, у, ^ Статические 3-х мерные геоизображения Динамические 3-х мерные геоизображения

Статические геоизображения способны отобразить картографируемый объект только в определенный момент времени. Для передачи изменения состояния объектов в пространстве и времени используются картографические произведения, относящиеся к классам динамических двух-и трехмерных геоизображений.

Особо стоит отметить класс динамических трехмерных геоизображений, поскольку применение трехмерной графики и анимации в картографии, логичным образом, приводит к существенному повышению качества восприятия визуальной информации о пространстве и расширению спектра задач, для решения которых используются картографические и информационные технологии. Существуют динамические картографические произведения, которые трудно отнести к какому-либо классу, поскольку они являются комбинированными [2].

Возникновение данных классов связано с бурным развитием мультимедийных технологий, которые в свою очередь опираются на научно -технический прогресс в области компьютерной техники, технологий хранения, обработки и представления информации. Совокупность аппаратных и программных средств позволяет наглядно, в интегрированном виде, использовать двухмерную и трехмерную машинную графику, анимацию, фото, видео, звук, текст при создании информационных сред, предназначенных для использования в различных областях человеческой деятельности.

Трехмерная графика является одной из самых динамично развивающихся областей машинной графики. В настоящее время существует аппаратное и программное обеспечение для получения разнообразных трехмерных изображений - от простых чертежей до фотореалистичных образов объектов окружающего нас мира. Трехмерная графика все больше используется в различных областях науки для построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве.

Трехмерное представление рельефа, различных природных объектов, элементов инфраструктуры и других естественных и искусственно созданных объектов позволяет воссоздать ландшафт, архитектуру сооружений и взаиморасположение объектов в произвольном ракурсе, сохранив при этом географическую точность и достоверность. Переход к трехмерному представлению объектов реального мира в произвольном ракурсе и масштабе открывает совершенно новые перспективы перед архитекторами, ландшафтными дизайнерами и проектировщиками - но и не только. Трехмерные модели дают возможность значительно улучшить визуальную «читаемость» географической информации, что ведет к повышению эффективности работы с ней и расширению круга пользователей.

На сегодняшний день создано большое количество программ, позволяющих работать с трехмерной графикой. Одной из наиболее популярных является редактор трехмерной графики 3D Studio Max. Область применения этого программного пакета достаточно широка. 3D Studio MAX успешно используется для архитектурного проектирование и конструирования интерьеров, подготовки рекламных и научно-популярных роликов для телевидения, создания компьютерной мультипликации, разработки трехмерных моделей объектов, подготовки иллюстраций для книг и журналов, художественной компьютерной графики, Web дизайна [3].

Программный пакет 3D Studio MAX позволяет, в частности, на основе методов трехмерного моделирования создавать пространственные объекты в принципе любой сложности. Крайне важно, что эти объекты могут быть просмотрены, в отличие от двухмерной графики, в любом ракурсе. Из трехмерных объектов может быть сформирована трехмерная сцена любой сложности, в которой для большей фотореалистичности можно применить различные текстуры и оптические эффекты. В распоряжении пользователя находятся различные камеры и всевозможные источники света. Для всех объектов сцены, включая камеры и источники света, можно задавать движение, изменение формы и размеров, вплоть до плавного превращения одного объекта в другой (эффект морфинга). Имеется возможность монтажа полученных последовательностей кадров и их озвучивания.

Принцип динамического картографирования заключается в отображении динамических серий, создающих эффект движения и изменения объектов, явлений и процессов, что позволяет моделировать и прослеживать последовательные этапы их развития [2]. Впечатление движения при динамическом картографировании возникает при смене карт-кадров.

На данном этапе развития технических средств динамика геоизображений обеспечивается компьютерной анимацией.

Анимация в картографии - это, по сути, современный этап развития традиционных карт динамики, на которых фиксировались состояния объектов в разные моменты времени. С появлением динамики картографирование приобрело четвертое, временное измерение. Картографическая анимация позволяет показать изменения и скорости протекания процессов в геосистемах,

а также решить некоторые задачи их мониторинга и прогнозирования. Таким образом, технология анимации является универсальным средством отображения процессов, которые могут быть различными по характеру, скорости протекания, продолжительности, локализации и территориальному охвату.

Наиболее распространенным способом создания анимации является метод ключевых или опорных кадров (keyframing). При использовании этого метода объекты вручную устанавливаются в требуемые положения, соответствующие моментам времени ключевых кадров, а система компьютерной анимации автоматически строит все недостающие кадры между опорными, изображая объекты на промежуточных стадиях их движения. Для моделирования движений, или эффектов, которые трудно воспроизвести с помощью ключевых кадров, используется процедурная анимация. Процедурные контроллеры анимации рассчитывают текущие значения параметров анимации, основываясь на начальных значениях, заданных пользователем, и на математических выражениях, описывающих изменение параметров во времени. Функциональный набор этого и других редакторов трехмерной графики и анимации позволяет использовать их для создания виртуальных анимированных картографических произведений.

Существуют также различные программы, использующие системы частиц для просчета динамики формы текучих сред для анимационных последовательностей. Одной из самых популярных является RealFlow, разработанная компанией Next Limit Technologies. С помощью RealFlow можно обсчитывать динамику газов, жидкостей, текучих сред различной вязкости и эластичных материалов. Алгоритм расчетов этой программы использует физические уравнения динамики текучих сред и обладает уникальной особенностью - моделирующие среду частицы способны взаимодействовать между собой. Данную программу можно использовать для моделирования атмосферных явлений (движение циклонов, дождь, снег, ветер и т. п.), динамичных и статичных водных объектов, огня, дыма от труб промышленных объектов и многого другого.

Трехмерная графика и анимация являются составляющими элементами визуализации виртуальной реальности. В технической практике виртуальная реальность рассматривается как искусственный мир, созданный компьютером, в который человек может погружаться и с которым может взаимодействовать [4]. Именно совокупность статичных и анимированных трехмерных моделей объектов создает впечатление присутствия и перемещения в объемном пространстве.

Применение виртуальной реальности в картографии открывает новые возможности моделирования виртуальных картографических произведений (виртуальное моделирование или виртуальное картографирование).

Технологии создания виртуальных геоизображений развивались постепенно, их дальними предшественниками можно считать блок-диаграммы - трехмерные рисунки, сочетающие изображение поверхности какого-либо объекта (геологического тела, почвенного покрова, водной толщи, слоя атмосферы и т. п.) с его продольным и поперечным разрезами. Сегодня

трехмерные изображения, полученные по цифровым моделям, визуализируются на экранах компьютеров. При этом изображения могут иметь разные масштабы по осям, менять наклоны и поворачиваться к наблюдателю любым ракурсом. Для усиления наглядности на поверхность блок-диаграмм стали «натягиваться» фотоизображения местности с использованием снимков, ортофотоснимки, фотопланы, фотопанорамы. В результате фото-блок-диаграммы приобрели еще более естественный вид [3].

С помощью совместного использования таких программных пакетов как 3D Studio MAX и RealFlow можно получать крупномасштабные и довольно подробные виртуальные изображения рельефа и ландшафта, геологического строения, водных объектов, растительного покрова, городов, путей сообщения, промышленных объектов и т. п. С помощью этих программ стало возможным создавать не только отдельные модели в некотором абстрактном трехмерном пространстве, а модели в конкретной окружающей среде. То есть моделируется не только сам объект, но и среда, в которой этот объект функционирует и с которой в данный момент находится во взаимодействии (например, время суток, сезон года, солнечное освещение, погода и атмосферные явления, звуковой фон и др.) [3]. Возможность интеграции разной тематической информации в одной модели - одно из главных достоинств виртуального геоизображения.

Использование трехмерной графики и анимации в картографии существенно повышает наглядность картографического произведения и, следовательно, повышается качество восприятия информации о пространстве, объектах, процессах, которыми оно представлено. Технологии и методики создания динамических трехмерных мультимедийных картографических произведений находятся на стадии бурного развития. Поэтому, в связи с новым уровнем аппаратных и программных технологий, возникает необходимость научного обобщения опыта использования трехмерной машинной графики и анимации в картографии. Для этого необходимо:

1) Провести обзор современного программного обеспечения, предназначенного для работы с трехмерной графикой и анимацией и проанализировать возможности их использования в картографии;

2) Провести анализ возможностей использования трехмерной графики при визуализации отдельных элементов геоизображений;

3) Рассмотреть возможности применения различных приемов анимации и их комбинаций в динамических трехмерных картографических произведениях;

4) Разработать методику создания динамических трехмерных картографических произведений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Берлянт A.M. Геоиконика. - М., 1996.

2. Берлянт А.М., Ушакова Л.А. Картографические анимации. - М.: Научный мир, 2000. - 108 с.

3. Маров М.Н. Энциклопедия 3D Studio MAX 3. - СПб: Издательство «Питер», 2000. - 1184 с.: ил.

4. Берлянт А.М. Виртуальное картографирование // Природа. - 2002. - № 7.

5. Берлянт A.M. Графические модели мира // Соросовский образовательный журнал. - 1999. - № 4. - С.65-71.

6. Берлянт А.М. Свойства визуализации как способа моделирования геоизображений // Геодезия и картография. - 2005. - № 12. - С. 43-52.

7. Рахманов М. Города XXI века: виртуальная среда обитания. [Электронный ресурс] http://www.cnews.ru/reviews/free/national2006/articles/it_drugs/

© Д.В. Лисицкий, П.Ю. Бугаков, 2009