ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ...

А.А. Калинин

Визуализация функционированиятерриториально)распределенных объектов

В данной статье освещаются вопросы применения систем визуализации данныхтерриториально�распределенных объектов. Описаны основные подходы к построе�нию подобных систем. Особое внимание уделено вопросам формирования изобра�жения на основании справочных данных и определения параметров отдельных объ�ектов. Задача визуализации рассматривается с точки зрения как теории, так и прак�тической реализации.

Экономическая составляющаявизуализации данных:

управление, прогнозирование,планирование

Всовременных условиях интенсивностьинформационного потока, с которымприходится работать специалистам,

стремительно возрастает. Актуальным ста�новится вопрос о представлении информациив удобной для восприятия и анализа форме.

Следует выделить несколько уровнейуправления, на которые ориентированысистемы визуализации данных: отдельныйобъект (здания, сооружение, природныйобъект, комплекс, организация), местный(группа объектов, населенный пункт), ре�гиональный (район, область, регион) и гло�бальный (экономический регион, феде�ральный округ, государство) уровни.

Основные экономические задачи, ре�шаемые такими системами, — оперативноеуправление, формирование и анализ про�грамм комплексного развития, мониторингэкономической среды территорий.

Особенность систем визуализации за�ключается в трудоемкости интеграции визу�альной части системы с подсистемой сбораданных, в их систематизации и поддержкепринятия решений.

В случае для систем поддержки приня�тия решений с использованием имитацион�

ных моделей общая схема выглядит сле�дующим образом: к подсистемам сбора,структурирования, хранения и визуализа�ции данных добавляются аналитическиемодули1 и модули формирования отчетовдля лица, принимающего решения.

Схема взаимодействия модулей про�граммной реализации подобной системыпредставлена на рис. 1.

При этом кроме основных компонентовсистемы, на схеме приведен набор элемен�тов, отвечающих за генерацию состоянийв случаях использования имитационной мо�дели:

� шаблоны «миров»,� шаблоны «объектов»,� шаблоны «задач моделирования»,� процесс порождения данных о систе�

ме и ее объектах.

Рассмотрим приведенную схему болееподробно. Для сбора данных о функциони�ровании реальной системы служат устрой�ства измерения параметров объектов и фор�мирования «картины мира». Непосредст�венно при первичной обработке (процесссбора данных: устранение ошибок, структу�рирование, формирование пакетов) выпол�няются операции, необходимые для сокра�щения нагрузки на прочие модули системы.

IT)бизнес� Экономическое пространство

11

1 Под модулем подразумеваются программные компоненты системы, предназначенные для обработкиданных.

Так, при отсутствии контроля ошибок, рабо�та аналитической подсистемы будет либослабоэффективной, либо невозможной. Сге�нерированные с помощью имитационной мо�дели данные и полученная от реальной сис�темы информация поступают в базу данных,которая служит основой для построения под�системы визуализации данных и для реали�зации управления на основе определеннойвнутренней логики системы. Затем, из базыданных и по результатам применения внут�ренней логики системы информация посту�пает в модуль анализа и, далее, в модульподдержки принятия решений. После под�тверждения проектов решений при наличиив системе эксперта (лица, принимающегорешения) или в автоматическом режиме,результаты служат базой для реализациипринятых решений. Следует отметить, чтоописанная структура обладает обратнойсвязью между большинством модулей.

Работать с информацией, представлен�ной в графическом виде, существенноудобней, чем с аналогичными числовыми

или текстовыми данными. Рост числа потре�бителей геоинформации с различным уров�нем подготовки также делает все болееважной задачу представления и интерпре�тации пространственных данных. Данноеутверждение становится еще более акту�альным, если дело касается разработкисистемы позиционирования и мониторингасостояний территориально�распределен�ных объектов. Подобные системы позволя�ют определять текущее состояние объектови моделировать их развитие при изменениивнешних факторов. Очевидно, что все из�менения состояния всех объектов должныбыть наглядно представлены пользовате�лям. Кроме того, решать задачу актуализа�ции информации о состоянии объектов,взаимосвязях и взаимодействиях между ни�ми. Иными словами — контролировать об�новление параметров отдельных объектови системы в целом.

Трехмерная визуализация территорийс расположенными на них структурами спо�собна облегчить доступ к геоинформации

12IT)бизнес� Экономическое пространство

Визу

ализ

ация

фун

кцио

ниро

вани

яте

ррит

ориа

льно

!рас

пред

елен

ных

объе

ктов

Рис. 1. Схема взаимодействия модулей системы визуализации данных

ее потребителям, а также повлиять на пла�нирование и контроль среды (города, рай�она, региона и т.д.), повысить качествоуправления объектами инфраструктуры.Возможно применение данной системы прирешении различных задач:

� экономических, т.е. транспортной за�дачи, оптимального размещения объектовинфраструктуры, обеспечения устойчивогоразвития регионов и т.д.;

� экологических, т.е. снижения нагруз�ки на окружающую среду, поиска источни�ков загрязнения, экологической эксперти�зы проектов развития и т.д.;

� социально�экономических, т.е. задачанализа социального состава и населения,а также определения перспективных проек�тов совершенствования социальной инфра�структуры и анализа динамики социальнозначимых факторов и т.д.

Подходы к проектированию системвизуализации данных

В основе большинства современныхсистем визуализации данных лежат техно�логии информационных хранилищ (базаданных, база знаний, база образов) и свя�занные с ними подсистемы визуализации.

Схема основных используемых для по�строения графического представления ти�пов данных об объектах и их параметрахпредставлена на рис. 2.

Такая структура позволяет, как отобра�жать реальную систему (задача мониторингаи визуализации данных), так и совмещать еес данными имитационной модели. Это необ�ходимо для исследования поведения некото�рых объектов, непосредственный экспериментнад которыми затруднен или невозможен.

Одна из баз данных содержит трехмер�ную модель поверхности и отвечает за соз�дание «подложки» при формировании гра�фического представления. Она состоит измодели местности (поверхности Земли)и моделей наземных объектов.

Для формирования трехмерной моделиповерхности и находящихся на ней объек�

тов необходимы следующие источники ин�формации:

� 3D�модельместности (поверхностиЗемли),� 3D�модель наземных объектов,� 2D�информация о размещении поверх�

ностных объектов,� текстуры для 3D�моделей.

Отсюда следует, что моделирование по�добных систем требует больших усилий посбору исходной информации и моделиро�ванию отдельных объектов. При этом при�ближенную модель рельефа можно полу�чить на основе обычных карт высот, однакоэто скажется на точности построения. В це�лом, для создания 3D�карт поверхностеймогут использоваться различные техноло�гии: космическая съемка, аэрофотосъемка,данные геодезической разведки, прочиеисточники. Модель поверхности Земли, накоторой размещаются городские объекты,можно получить и на основе спутниковыхили аэрофотоснимков, наложив их на соз�данную 3D�модель местности. Модели на�земных объектов (здания, сооружения, ли�нии электропередач, мосты и т.п.) такжетребуют значительных временны ´х затрати финансовых вложений для их создания.

При моделировании наземных объектов,помимо вопросов, связанных с созданиемсамих моделей, возникают вопросы ее тек�стурирования. Детализированное текстури�рование необходимо использовать, так каконо дает наиболее близкое к действитель�ности отображение окружающего мира и по�зволяет эксперту (аналитику) приниматьчасть решений именно на основе визуаль�ного представления. Фотореалистическоетекстурирование позволяет создать копиюреальных объектов в виртуальном про�странстве. Однако создание модели, кото�рая содержала бы мелкие детали конструк�ций, слишком трудоемкий процесс, а тексту�рирование способно решить эти проблемы,восполняя отсутствующую в модели объек�та информацию. При разработке необходи�мо найти оптимальное соотношение между


13

А.А.

Кали

нин


Визу

ализ

ация

фун

кцио

ниро

вани

яте

ррит

ориа

льно

!рас

пред

елен

ных

объе

ктов

Рис.

2.Сх

ема

объе

ктов

сист

емы

визу

ализ

ации

данн

ых

иоб

ласт

иих

прим

енен

ия

детализацией модели и качеством текстур,но, с одной стороны, нельзя слишком силь�но упрощать геометрию модели объектов,а особенно строений, а с другой — нельзяиспользовать текстуры очень высокого раз�решения, так как это напрямую отразитсяна скорости работы приложения и качествевизуализации из�за увеличения объемов об�рабатываемых и хранимых данных.

Вопросы расположения наземных объ�ектов решаются с помощью использования2D�карт, а также аэрофотоснимков, на ос�нове которых можно определить геометриюобъектов, и в дальнейшем правильно ихразместить на создаваемой карте. В край�нем случае, можно использовать прямыеизмерения на местности, однако этот спо�соб возможен при незначительном числемоделируемых объектов.

Процесс подготовки трехмерных объектовзданий достаточно сложен, занимает многовремени и требует определенных навыков.Излишняя прорисовка геометрии увеличива�ет сложность модели, что влияет на скоростьотображения. Кроме того, чрезмерное упро�щение и типизация модели может привестик утрате сходства с реальным прототипом.

Трехмерное представление местностизначительно повышает возможности визу�ального анализа при изучении и управле�нии городской (или иной) территорией.

Технические и экономические аспектыподготовки качественных данных, в том чис�ле и трехмерных моделей, еще долго будутоставаться среди самых важных в работеспециалистов на различных уровнях управ�ления. Необходимое для 3D�моделированияаппаратное обеспечение уже существуети с каждым днем становится все более со�вершенным. Сейчас задача исследователейи разработчиков — создание технологий ав�томатического конструирования 3D�моде�лей с использованием различных данных.

Новую технологию быстрого создания3D�модели городской среды (Fast 3D CityModel Generation) разработали в лаборато�рии университета Беркли. Для сбора дан�ных используются лазерные сканеры и циф�

ровые камеры, установленные на самолетеи наземном транспортном средстве соответ�ственно. С помощью лазера фиксируютсярасстояния, размеры объектов и прочиегеометрические данные, а фотографии не�обходимы для нанесения текстур фасадовна скелеты этих объектов. Рабочую модельцентра города Беркли из 12 кварталов уда�лось создать за 4,5 часа. Из них на аэрофо�тосъемку и фотографирование с земли уш�ло, по словам исследователей, 25 минут.Остальное время потребовалось компьюте�ру для обработки данных.

Визуализация объектов

Формирование карты высот

Для начала необходимо сформироватькарту, содержащую объекты, состояние ко�торых мы и будем отслеживать. Она должнасоответствовать реальной карте местностирайона, что сложнее всего реализовать.Ландшафт можно строить на основании мо�нохромной карты, которая отображает уро�вень высот в зависимости от интенсивностицвета. В качестве альтернативы можно ис�пользовать способ формирования моделиместности на основании регулярной сетки.Выбор того или иного способа представле�ния данных ландшафта зависит от исполь�зуемого инструмента визуализации.

Территориальноераспределение объектов

Далее необходимо создать модели объ�ектов (здания, сооружения, дороги, расти�тельность, водоемы) и территориально рас�пределить их в соответствии с реальным ихместоположением. При этом можно восполь�зоваться двумя подходами.

Подход 1. На основании картографиче�ских данных (в том числе и аэрофотосним�ки) в 3D�редакторе производится разме�щение всех необходимых наземных объек�тов. При этом следует отметить, что погреш�ность, с которой производились снимки,приведет к искажению создаваемой сцены.По данным снимков невозможно точно уста�новить положение объектов в силу угла съем�


15

А.А.

Кали

нин

ки, атмосферных искажений, отбрасывае�мых теней и др. В результате формируетсятрехмерная модель карты поверхности с раз�мещенными на ней объектами. В реальныхусловиях объемы данных оказываются слиш�ком большими и не позволяют напрямую ви�зуализировать подобные сцены. Поэтомуэтот подход работает лишь в ограниченномчисле ситуаций.

Подход 2. На основании картографиче�ских данных наполняется база данных, в ко�торой хранится информация о каждом объ�екте в следующем виде: тип объекта; его ко�ординаты; ссылка на модель и необходи�мые текстуры, если это необходимо. Послеэтого при запуске приложения происходитпервоначальная визуализация модели ме�стности, а в дальнейшем, при активации инте�ресующих пользователя слоев, формирует�ся запрос к базе данных и визуализацияобъектов, отвечающих требуемым парамет�рам, выполняется на основе данных, полу�ченных в результате выполнения запроса.Такой способ экономит ресурсы видеосисте�мы, кроме того, нет необходимости вручнуюрасставлять модели объектов на ландшаф�те. Требуется лишь внести в базу данных ко�ординаты местоположения объектов и ссыл�ки на отдельные объекты.

Визуализация лесных массивов

Лесные массивы формируются с помо�щью обобщенной модели представленияобъекта (Proxy Object), так как загружатьмодель каждого дерева в память не пред�ставляется возможным. При использованииданной технологии происходит загрузка мо�дели лишь одного дерева, на основании ко�торой формируется весь лесной массивв целом. Данные о расположении лесныхмассивов берутся также из базы данных,содержащей информацию об области рас�пространения вида, плотности произраста�ния и о самом виде дерева.

Визуализация полученного ландшафта

Следующим шагом будет визуализацияполученного ландшафта: можно использо�

вать как самостоятельно разработанную обо�лочку на основе OpenGL или DirectX, так и го�товый «графический движок». При исполь�зовании того или иного инструмента визуа�лизации необходимо предусмотреть возмож�ность применения алгоритмов оптимизацииповерхностей (QuadTree, OctTree). Данныевизуализируются средствами OpenGL с ис�пользованием набора компонентов GlScene.

OpenGL — стандартная библиотека длявсех 32�разрядных операционных систем(для Windows 95 OSR2 и последующих вер�сий), физически присутствует в виде двух ди�намических библиотек: opengl32.dll и glu32.dll,первый из которых и хранит саму библиоте�ку. OpenGL является на данный момент од�ним из самых популярных программных ин�терфейсов (API) для разработки приложе�ний в области двумерной и трехмерной гра�фики. Стандарт OpenGL был разработани утвержден в 1992 году ведущими фирмамив области разработки программного обес�печения, а его основой стала библиотекаIRIS GL, разработанная Silicon Graphics. Онспроектирован таким образом, чтобы исполь�зовать все преимущества любых, даже са�мых изощренных графических систем. Наданный момент реализация OpenGL вклю�чает в себя несколько библиотек: OpenGL,GLU, GLAUX и др. С точки зрения програм�миста, OpenGL — это набор команд, кото�рые описывают геометрические объектыи способ их отображения на экране. В боль�шинстве случаев OpenGL предоставляет не�посредственный интерфейс, т.е. определе�ние объекта вызывает его визуализациюв буфере кадра.

Для построения ландшафтной сетки мож�но использовать несколько подходов: отри�совывать с помощью ломаных линий у�зна�чения координат, использовать загрузку го�товой поверхности созданной, например,с помощью 3D�Max и др. Однако эти вари�анты допустимы лишь в частных случаях,одним из которых может быть небольшойобъем визуализируемой карты.

При создании программной реализациисистемы визуализации данных (рис. 3) автор

Визу

ализ

ация

фун

кцио

ниро

вани

яте

ррит

ориа

льно

!рас

пред

елен

ных

объе

ктов



17

А.А.

Кали

нин

Рис.

3.Сх

ема

прог

рам

мно

йре

ализ

ации

сист

емы

визу

ализ

ации

данн

ых

использовал компонент GLTerrainRender биб�лиотеки GLScene, так как это позволяетуправлять сложностью каркаса поверхно�сти, и, как следствие, качеством получае�мой поверхности с точки зрения качестваотображения.

Данная система реализована в видедвух подсистем: оболочки среды и редакто�ра представления модели. Вначале рас�смотрим редактор представления моделии ее объектов. Он предназначен для удоб�ного редактирования свойств шаблоновобъектов виртуальной модели — представ�ления системы (ObjProp) и баз данных попараметрам, событиям объектов (ObjDataBase). Доступ и редактирование реализова�ны через визуальный конструктор.

Оболочка служит непосредственно длявизуализации данных моделей. Данные обобъектах хранятся в виде наборов XML�фай�лов (Town.dat, Forest.dat и т.д.). Путем обра�ботки данных файлов происходит формиро�вание скелета объектов (*.3ds — базовыйфайл скелета, SceneObject — отображенияобъекта), на которые наносятся текстуры изграфических файлов (*.jpeg).

Принципиальная схема процесса форми�рования изображения приведена на рис. 4.

Доступ к информациипо функционированию объектов

Объекты на карте располагаются с помо�щью слоев. Пользователь может управлятьвизуализацией необходимых ему в конкрет�ный момент данных. Например, можно выде�лить следующие типы объектов: 3D�модели,поверхностные (водоемы, земельные участ�ки и т.п.) и линейные (автодороги, линииэлектропередач). Для организации доступак информации необходимо сформироватьбазу данных, содержащую все необходи�мые сведения по конкретным объектам.Список атрибутов базы данных при этомпридется сформировать заранее.

На этапе заполнения карты объектамиследует параллельно заносить информациюв базу данных, где в качестве уникальногоидентификатора объекта можно использо�

вать его идентификатор в системе визуали�зации.

Считывание данных происходит следую�щим образом: после того как пользовательпроизводит выбор объекта на карте, выпол�няется определение того объекта, над кото�рым находился указатель мыши в данныймомент (выбор по буферу цвета) и выдаетсяего идентификатор, далее по нему органи�зовывается запрос к базе данных для выда�чи информации о данном объекте.

Визу

ализ

ация

фун

кцио

ниро

вани

яте

ррит

ориа

льно

!рас

пред

елен

ных

объе

ктов


Рис. 4. Схема формирования изображения

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ...

Documents