Интерактивная визуализация 3D-данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Описание типа запись 1 49.17kb.
Когнитивная визуализация процесса моделирования рассуждений в самоорганизующихся... 5 932.42kb.
Занятие по ия: 8-9/ 10-11 классы. 17. 10-18. 00. Ауд. 239 8-11 Интерактивная... 1 25.07kb.
Компьютеризация отечественной медицины: движение вперед или топтание... 1 181.63kb.
Астрофизика, раздел астрономии, изучающий физические явления, происходящие... 1 109.81kb.
«использование средств самовыражения личности современного подростка... 1 93.66kb.
Plenar məruzəLƏr явления переноса в низкоразмерных электронных системах... 8 1972.02kb.
Рабочая программа учебной дисциплины западное полушарие в системах... 2 316.18kb.
Школа открытых данных 12. 11. 2013 Лекция №6 2 366.02kb.
Лабораторная работа №6. Форматирование и визуализация 1 10.81kb.
Рабочая программа по дисциплине «безопасность систем баз данных»... 1 65.47kb.
Царь зверей 1 237.45kb.
- 4 1234.94kb.
Интерактивная визуализация 3D-данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах - страница №1/10



Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

На правах рукописи

Бобков Александр Евгеньевич



Интерактивная визуализация 3D-данных на

виртуальном глобусе в стереоскопических

системах
Специальность 05.01.01 – Инженерная геометрия и компьютерная графика
ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Афанасьев Валерий Олегович


Нижний Новгород — 2013

СОДЕРЖАНИЕ


СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1.Методы построения и визуализации виртуальных глобусов 9

1.1. Прошлое и настоящее виртуальных глобусов 9

1.2. Обзор программных решений и открытых стандартов 21

1.3. Генерация рельефа для виртуальных глобусов 26

1.4. Выводы по 1 главе 37

ГЛАВА 2.Визуализация виртуального глобуса 39

2.1. Варианты отображения виртуального глобуса 39

2.2. Полупрозрачная поверхность глобуса 47

2.3. Применимость для подземных объектов 59

2.4. Выводы по 2 главе 60

ГЛАВА 3.Визуализация данных на виртуальном глобусе 61

3.1. Облака точек 61

3.2. Объемные данные 75

3.3. Выводы по 3 главе 84



ГЛАВА 4.Описание программного комплекса 84

4.1. Программный комплекс 85

4.2. Стереоскопическая визуализация 90

4.3. Навигация и взаимодействие 96

4.4. Выводы по 4 главе 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115

БЛАГОДАРНОСТИ 117

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Источники геоданных 131

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Шейдеры для объемной визуализации 134

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет стереоэффекта 137

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Аппаратное обеспечение 143





ВВЕДЕНИЕ


Общая характеристика работы

Развитие виртуальных глобусов началось около 10 лет назад. Под виртуальным глобусом понимается трехмерная модель планеты Земля, воссозданная с определенной точностью по спутниковым данным, с интерактивным программным обеспечением, которое позволяет работать с трехмерной моделью Земли, рассматривать её на любых масштабах и визуализировать данные (объекты, модели) с привязкой к географическим координатам. Первые глобусы позволяли просматривать высокодетализированные спутниковые снимки, наложенные на трехмерный рельеф. Последние годы растет интерес к использованию виртуальных глобусов для более практических задач визуализации и анализа различных типов данных на глобусе. Во-первых, появились спутниковые данные высокого разрешения, цифровая модель рельефа почти всей Земли в свободном доступе (SRTM). Во-вторых, широкое распространение получил интернет, что позволило хранить большие объемы спутниковых данных на удаленных серверах. Видеокарты позволили интерактивно отображать трехмерный рельеф, высокодетализированную спутниковую подложку и дополнительные эффекты вроде атмосферного рассеяния. Основные области применения: геоинформационные системы (ГИС), системы автоматизированного проектирования и исследования процессов, компьютерные игры и т.п.

Таким образом, в настоящее время виртуальный глобус является мощным инструментом для специалистов разных областей, которым требуется визуализация данных в географическом контексте. Виртуальный глобус может стать единой платформой для визуализации всех типов данных с географической привязкой. Для этого необходимо разрабатывать методы визуализации указанных данных, методы взаимодействия и управления данными в трехмерном пространстве.

В отечественной науке существенный вклад в развитие теоретических основ и практических решений в области геометрического моделирования и визуализации внесен научными школами Бондарева А.Е., Васина Ю.Г., Галактионова В.А., Дебелова В.А., Денискина Ю.И., Долговесова Б.С., Желтова С.Ю., Журкина И.Г., Кеткова Ю.Л., Кучуганова В.Н., Никитина И.Н., Роткова С.И., Сурина А.И., Толока А.В., Турлапова В.Е., Утробина В.А. и ряда других исследователей.



Актуальность работы обусловлена тем, что, не смотря на существование в настоящее время большого количество реализаций различных алгоритмов генерации и визуализации виртуального глобуса (включая атмосферу), визуализации 3D-данных на глобусе (3D-модели, векторные наложения на рельеф) и др., пока остаются нерешёнными задачи визуализации полупрозрачной поверхности на глобусе, визуализации облаков точек и объемных данных на глобусе, необходимые для создания программных систем визуализации научных данных (в частности, подземных геофизических данных), данных лазерного сканирования и других видов данных, которые появляются в настоящее время как следствие использования новых методов и аппаратуры зондирования.

Цель диссертационной работы состоит в создании алгоритмического и программного обеспечения формирования и визуализации пространственной географической информации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:



  • разработать способ визуализации глобуса с полупрозрачной поверхностью с возможностью как надземного, так и подземного просмотра;

  • разработать алгоритмы визуализации облаков точек и объемных данных с учетом особенностей виртуального глобуса и виртуального окружения;

  • разработать программный комплекс для стереоскопической визуализации данных на виртуальном глобусе, проектирования, конструирования в общегеографическом контексте.


Научная новизна:

  1. Разработан новый способ визуализации виртуального глобуса, который позволяет, благодаря полупрозрачной поверхности, визуализировать 3D-объекты под поверхностью глобуса и обеспечить отсутствие графических артефактов, связанных с полупрозрачностью, и возможность как надземного, так и подземного просмотра.

  2. Разработан новый алгоритм визуализации облаков точек, характерной особенность которого является использование географических координат, возможность работы с облаками точек любого размера и динамическая фильтрация точек на графическом процессоре по заданным критериям.

  3. Разработан новый алгоритм визуализации объемных данных на виртуальном глобусе, который работает с данными в географической системе координат и при визуализации учитывает форму глобуса.

Практическая значимость.

Результаты работы были использованы для создания интерактивного научно-популярного приложения «Виртуальная Долина гейзеров», которое было внедрено и используется в музее Кроноцкого государственного природного биосферного заповедника.

Результаты работы были использованы для реалистичной визуализации горнолыжных трасс для горнолыжного тренажера в Московском физико-техническом институте. Диссертант является соавтором статьи по горнолыжному тренажеру, которая была доложена на конференции Cyberworlds 2011 и получила награду Best Paper Award.

Результаты работы также внедрены в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук, Всероссийском научно-исследовательском институте по эксплуатации атомных электростанций, Институте истории естествознания и техники Российской академии наук, Институте физико-технической информатики.



Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Способ визуализации виртуального глобуса с полупрозрачной поверхностью рельефа, который обеспечивает как надземный, так и подземный просмотр геометрических объектов под поверхностью глобуса и устраняет графические артефакты, вызванные перекрытием слоев рельефа и вспомогательной геометрии.

  2. Алгоритм визуализации облаков точек на глобусе с уровнями детализации, учетом формы глобуса, контролем плотности точек на экране и фильтрации по заданным критериям на графическом процессоре.

  3. Алгоритм визуализации объемных данных, заданных в географической системе координат и учитывающий форму глобуса.

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается корректным применением аппарата компьютерной геометрии и графики, подтверждена экспериментальным тестированием алгоритмов и программ, результатами опытной эксплуатации разработанных программных средств.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: международных конференциях MEDIAS 2010, MEDIAS 2011, MEDIAS 2012 (2010 г., 2012 г., г. Лимассол, Республика Кипр), Графикон 2010 (2010 г., г. Санкт-Петербург), Графикон 2012 (2012 г., г. Москва), «Ситуационные центры и информационно-аналитические системы класса 4i» (2011 г., г. Москва), на 53-й научной конференции МФТИ (2010 г., г. Долгопрудный), на 54-й научной конференции МФТИ (2011 г., г. Долгопрудный), на 3-й научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России» (2011 г., г. Петропавловск-Камчатский).

Результаты работы демонстрируются посетителям Постоянно действующей выставки достижений РАН. В августе 2012 результаты работы были представлены участникам 33-й Генеральной ассамблеи Европейской сейсмологической комиссии и были высоко оценены ими.

Работа велась в том числе в рамках грантов РФФИ 12-07-31043 мол_а, 10-07-00407-а.



Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 12 научных работах, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, словаря терминов, библиографии и 4 приложений. Общий объем диссертации 143 страницы, из них 113 страницы текста, включая 70 рисунков. Библиография включает 144 наименований на 12 страницах.


  1. Методы построения и визуализации виртуальных глобусов

1.1. Прошлое и настоящее виртуальных глобусов

1.1.1. Географическая визуализация до виртуальных глобусов


Одно из самых важных применений виртуальных глобусов — это географическая визуализация. В статье [13] приводится определение географической визуализации: это применение графического представления данных для облегчения пространственного понимания вещей, понятий, условий, процессов и событий в человеческом мире.

Считается, что одним из первых случаев применения географической визуализации является «холерная карта» Джона Сноу (рис. 1 .1). В 1854 Сноу обозначил на карте Лондона случаи заражения холерой и отметил все водяные насосы для подачи питьевой воды. Большинство случаев заражения концентрировались вокруг одного насоса. Сноу использовал карту для подтверждения свой теории, что источником заражения является этот насос [14].

В результате роста научного знания к середине 20го века появилось множество теорий, описывающих геопространственные процессы (геологические, климатические, экономические и антропологические теории), результаты которых необходимо было отображать на географических картах.

В начале 1960-х годов развитие компьютеров привело к появлению первых геоинформационных систем (ГИС) [15].

ГИС — это система для сбора, хранения, анализа и визуализации геопространственных данных и связанных с ними атрибутов. ГИС развивают идею Джона Сноу по наложению на географические карты дополнительных слоев данных с целью их учета и анализа. Первые ГИС развивались с государственной поддержкой (ГИС Канады) и использовались для городского планирования, переписи населения [16].



Рис. 1.1. Холерная карта Джона Сноу




В начале 1980-х годов начали появляться коммерческие ГИС. Одна из самых известных компаний-разработчиков ГИС ESRI выпустила свой продукт ARC/INFO в 1982 г. ГИС стали доступны широкому кругу пользователей и превратились в мощный инструмент для работы с картографическими данными и тематическими геоданными [17].

Постепенно стал доступен сетевой доступ к данным, а с развитием высокоскоростного интернета стал распространяться способ работы с ГИС через тонкие клиенты (браузеры). В настоящее время карты уже не являются статическими, а генерируются в процессе работы на основе информации из базы данных по запросу пользователя. Возможно динамические объединение информации из разных источников, разных сайтов, встраивание картографических сервисов на любой сайт.

Параллельно с развитием классических 2D ГИС в 1990-х годах возникает концепция 3D ГИС [18]. 3D ГИС позволяет изучать трехмерный рельеф с любых точек зрения, городские сооружения и инфраструктуру, визуализировать проектируемые здания, планировать развитие территорий, производить оценку высотных характеристик, области видимости, проводить визуальный анализ.

Однако внедрение 3D ГИС идет медленно. В работе [19] перечисляются основные причины этого:



  • организация 3D-данных. Существуют разные методы представления 3D-моделей. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Не ясно, в каком виде хранить модели в базах данных предпочтительнее и как конвертировать между разными представлениями;

  • реконструкция 3D-объектов. 3D ГИС должны иметь возможность просмотра моделей реальных объектов. Для этого необходимо выполнить их 3D-реконструкцию. Быстрые методы реконструкции выдают грубые и не точные модели. Более детальные модели выполняются вручную или полуавтоматически и требуют много времени. Реконструкция большого числа объектов (3D-городов) — крайне затратная операция;

  • 3D-визуализация. Для реалистичной визуализации 3D-объектов необходимо решить ряд задач: разработать алгоритмы освещения, затенения, анимации объектов, поддержать уровни детализации, туман, навигацию по трехмерной сцене, взаимодействие с 3D-объектами. При этом технологии постоянно развиваются и усложняются, растут требования к реалистичности.

В нескольких регионах России в 2010-2012 гг. начались пилотные проекты по внедрению 3D ГИС [20-22]. Виртуальные глобусы — это дальнейшее логическое развитие идеи 3D ГИС.

1.1.2. Первые виртуальные глобусы


В работе с 2D- и 3D-представлением геоданных существует большая разница. Для 2D-данных (как растровых, так и векторных) давно разработаны алгоритмы визуализации, анализа, хранения, используются стандартные форматы и множество программных продуктов для разных задач.



Рис. 1.2. Виртуальный глобус в игре X-COM: UFO Defense (1994 г.)




Но для визуализации виртуального глобуса необходимы трехмерная графика и большие объемы данных, а главным требованием является интерактивная частота кадров (не менее 30 кадров в секунду). При этом не существует общепринятых стандартов к работе с данными на виртуальном глобусе, к навигации в пространстве виртуального глобуса. Всё это замедляет внедрение виртуальных глобусов для решения практических задач.

В 80-е годы и начале 90-х годов основным ограничителем являлась мощность видеокарт. Глобусы использовались для показа простейших векторных данных, таких как границы континентов и государств, орбиты космических аппаратов (рис. 1 .2).

В 90-е годы мощность персональных компьютеров позволила использовать более детализированные текстуры земной поверхности. В конце 90-х годов появились такие продукты как Encarta Virtual Globe компании Microsoft (1998 г.) и 3D World Atlas компании Cosmi Corporation (1999 г.) (рис. 1 .3). Это были мультимедийные приложения, где глобус сочетался с разнообразной энциклопедической информации о странах мира. Разрешение текстур было невысоким, поэтому они помещались на обычные CD-диски [23, 24].



Рис. 1.3. 3D World Atlas (1999 г.)




Параллельно с этим в 90-е годы была заложена идеологическая основа виртуальных глобусов. Так в 1992 году вышел роман Нила Стивенсона «Лавина» в жанре киберпанк, в котором было описано приложение «Земля» для доступа к разнообразным данным. Впоследствии роман оказал влияние на создателей виртуального глобуса Google Earth [25].

31 января 1998 г. вице-президент США Альберт Гор произнес речь «Цифровая Земля: понимание нашей планеты в XXI веке», в которой он предложил создать «Цифровую Землю» — приложение, которое должно включать все увеличивающее количество геоданных, быть подсоединено к базам данных и знаний всего мира и обеспечить лучшее описание и понимание окружающего мира и человеческой деятельности [26].

В конце 90-х — начале 2000-х гг. произошел перелом в развитии виртуальных глобусов. Это связано со следующими факторами.

Частные компании, такие как GeoEye и Digital Globe, начали запускать спутники дистанционного зондирования для получения снимков высокого разрешения (до 0,5 метра) [27, 28]. NASA запустило миссию SRTM по созданию общедоступной цифровой модели рельефа для всей Земли [29].

Полученные со спутников данные имеют огромные размеры. Можно грубо сделать следующую оценку: для хранения текстуры всей Земли с разрешением 0.5м/пк нужно 11 петабайт. Даже если выкинуть все моря, океаны, пустыни и полюса, всё равно остаётся внушительное число. На CD-диск эти текстуры уже не поместятся.

В это же самое время появился высокоскоростной доступ к интернету. Возникла идея размещать геоданные на серверах в интернете, а на компьютеры пользователей устанавливать клиентское программное обеспечение (ПО), которое должно скачивать изображения только той части поверхности Земли, которая нужна пользователю.

Также в это время рост рынка компьютерных игр привел к жесткой конкуренции между производителями видеокарт. Слабые игроки были либо вытеснены с рынка, либо куплены более сильными игроками. В начале 2000-х годов остались две основные компании: NVIDIA и ATI (позже перешла под контроль AMD). Конкуренция привела к быстрому развитию видеокарт и переносу графических вычислений на графический процессор [30]. Это развитие позволило интерактивно визуализировать на экране компьютера модель глобуса с текстурами и рельефом высокого разрешения и различными эффектами.

Таким образом, указанные 3 фактора (появление данных ДЗЗ высокого разрешения, развитие интернета и видеокарт) стали толчком для появления виртуальных глобусов нового поколения и роста интереса к глобусам в мире.

Компания Keyhole одной из первых начала развивать свой продукт в 2001 году на базе этой идеи. Впоследствии она была куплена компанией Google. Переименованный в Google Earth продукт вышел в 2005 году для свободного использования [31]. Параллельно NASA выпустила свой продукт World Wind в 2004 году и Microsoft выпустила Virtual Earth (ныне Bing Maps 3D) в 2006 году.

Google Earth стал по-настоящему массовым продуктом и популяризовал идею виртуальных глобусов [32]. Разработчики ГИС также стали внедрять у себя возможность просмотра геопространственных данных на глобусе (ArcGIS, gvSIG). Учёные начали публиковать свои данные в открытом формате KML для просмотра результатов на глобусе.

Далее рассмотрим более подробно глобусы Google Earth и NASA World Wind.

1.1.3. Google Earth


Google Earth — виртуальный глобус компании Google, который был куплен у компании Keyhole (рис. 1 .4). GE — бесплатен для некоммерческого использования, но имеет закрытый исходный код. Также имеются платная версия с расширенным функционалом. GE поддерживает операционные системы Windows, Linux, Mac OS X, iOS и Android [33].

В GE используются коммерческие спутниковые и аэрофотоснимки высокого разрешения до 0.15м/пк. Также возможен просмотр исторических снимков.





Рис. 1.4. Виртуальный глобус Google Earth




GE позволяет просматривать также карту звездного неба и снимки Луны и Марса. Имеется встроенный авиасимулятор. GE позволяет просмотр пользовательских геоданных в формате KML: векторные данные, растровые данные и 3D-модели. Также GE позволяет добавление и редактирование собственных данных и сохранение их в формате KML. Имеется множество встроенных слоев данных: 3D-здания, границы государств, названия географических объектов, дороги, фотографии разных мест.

1.1.4. NASA World Wind


NASA World Wind — это виртуальный глобус, разрабатываемый NASA и сообществом открытого программного обеспечения (рис. 1 .5). Он позволяет просматривать спутниковые снимки Земли, Луны, Марса, Юпитера, некоторых его спутников и карту звёздного неба [34].



Рис. 1.5. Виртуальный глобус NASA World Wind 1.4.0 (14.02.2007)




Основные отличия от Google Earth: полностью бесплатен, в том числе для коммерческого использования; имеет открытый исходный код, который можно использовать для создания своих приложений на базе WW; использует бесплатные снимки Земли: на мелких масштабах — Blue Marble NG, на крупных масштабах — Landsat 7, но при этом позволяет брать данные и из других источников.

Первая версия WW вышла в 2004 году, была написана на C# и работала только под Windows. Разработка этой версии прекращена в 2007 году, и поэтому имеются проблемы совместимости с Windows Vista/Windows 7. Некоторый функционал недоступен, в частности модуль Scientific Visualization Studio, который позволяет просматривать анимацию многих природных явлений (пожаров, ураганов).


1.1.5. Неогеография


Рывок технического прогресса в области виртуальных глобусов и появление Google Earth привели к широкому распространению термина «неогеография». Хотя этот термин и использовался раньше, в современном смысле он был рассмотрен в 2006 году в книге Эндрю Тернера «Введение в неогеографию» [35].

Термин «неогеография» означает совокупность новых методов и средств для работы с геоданными [36]. Можно выделить три основных отличия от традиционного подхода:



  • использование географических систем координат (долгота, широта и высота), а не картографических;

  • использование растрового представления информации как основного;

  • использование открытых форматов данных.

В традиционных ГИС используются картографические проекции, а данные хранятся в основном в векторной форме. Это было необходимо, т.к. во времена первых ГИС компьютеры были менее производительны, чем сейчас, а векторные данные занимают меньше места и требуют меньше вычислительных ресурсов.

Однако картографические проекции приводят к геометрическим искажениям: искажениями длин, площадей и углов. А векторные данные не полно и не точно отражают окружающую действительность.

Современные компьютеры могут легко работать, как с векторными, так и с растровыми данными ДДЗ, наложенными на виртуальный глобус. Также есть возможность отображения любых 3D-моделей на глобусе. Это позволяет отказаться от условных обозначений и заменить их приближенными к реальности 3D-моделями.

Неогеография предполагает обмен геопространственными данными между различными приложениями и для этого использование открытых стандартизованных форматов данных. Одним из таких форматов является KML (Keyhole Markup Language), который был изначально разработан для Google Earth и впоследствии был стандартизован. Сейчас этот формат поддерживают большинство ГИС и виртуальных глобусов.

Однако в среде профессиональных географов термин был встречен неоднозначно. Доктор географических наук А.М. Берлянт подверг критике термин «неогеография» в нескольких свои работах [37]. Основные положения: этот термин используется для влияния на «администраторов, распоряжающихся денежными суммами», неогеография подразумевает отказ от условного, знакового обозначения объектов [38].

1.1.6. Современные тенденции в развитии виртуальных глобусов


Google Earth хорошо подходит для просмотра спутниковых снимков и готовых геопространственных данных. Но полноценная работа и анализ данных невозможны. GE нельзя расширять, усовершенствовать, добавлять свои типы данных и интегрировать с другими приложениями. У GE закрытые исходники и нет программного интерфейса (API), кроме браузерной версии.

Сейчас мы находимся на этапе, когда происходит применение виртуальных глобусов для реальных практических задач, проводятся исследования, разрабатываются новые виртуальные глобусы и идеи их применения. Можно привести несколько работ в этой области.

В Институте геодезии и геоинформатики Университета прикладных наук Северо-Западной Швейцарии с середины 2000-х годов разрабатывается виртуальный глобус i3D для научно-исследовательских целей [39].

В работе Schafhitzel T., Falk M., Ertl T. 2007 года [40] описывается реалистичный рендеринг планет с атмосферой в реальном времени.

В работе Schoning J., Hecht B., Raubal M. 2008 года [41] предлагается улучшение взаимодействия с виртуальным глобусом с помощью сенсорного экрана с множественным касанием (multitouch). Там же указывается на важность ответов на вопрос «Почему здесь это находится?», а не только «Что здесь находится?» при работе с виртуальным глобусом.

В работе Christen M. 2008 года [42] рассматривается идея применения трассировки лучей для рендеринга виртуальных глобусов, а также приводится набор необходимых улучшений для повышения реализма: процедурная генерация текстур на основе спутниковых данных, реалистичные облака, вода и растительность.

В 2009 году был разработан виртуальный глобус Crusta [43] специально для задач геологии. Упор был сделан на точную и интерактивную визуализацию высокодетализированных данных (меньше 1м/пиксель). Глобус использует многогранник из 30 граней, что позволяет уменьшить искажения и устанить сингулярность на полюсах. Далее каждая грань рекурсивно делится на четырехугольники.

В 2010 группа немецких исследователей в рамках проекта EuroSDR (European Spatial Data Research) провела опрос участников геоиндустрии об использовании виртуальных глобусов и затем опубликовала отчет [44]. Основные выводы: виртуальные глобусы оказывают положительное влияние на индустрию и это направление будет развиваться и дальше. Основные проблемы: отсутствие стандартизации этой области и необходимость в больших вычислительных мощностях и новых геоинструментах.

Технология лидарной съемки позволяет восстанавливать трехмерный рельеф по облаку точек. В статье Christen M., Nebiker S. 2011 года описывается модификация алгоритма триангуляции Делоне для быстрого построения трехмерного рельефа виртуального глобуса с уровнями детализации [45].

В статье Nebiker S., Bleisch S., Christen M. авторы предлагают новый подход к построению 3D-моделей городов, основанный на использовании облаков точек лазерного сканирования на виртуальном глобусе [46].

В 2011 была Bleisch S. защищена диссертация по оценке пригодности визуального комбинирования количественных данных при визуализации на виртуальном глобусе [47].

В 2011 году вышла монография «3D Engine Design for Virtual Globes» [48], полностью посвященной вопросам разработки приложений с использованием виртуальных глобусов. В книге рассматриваются основные вопросы и задачи, которые возникают при разработке глобусов: системы координат, математика эллипсоида, проблема точности и дрожания (jittering), рендеринг векторных данных на глобусе, рендеринг рельефа.

Усилия разработчиков тратятся сейчас на поддержку визуализации различных типов векторных данных на глобусе, 3D-моделей, поддержку очень больших массивов данных: задачи динамической подгрузки и выгрузки.

Другое направление развития — увеличение реализма визуализации. Сейчас уже поддержаны визуализация атмосферы для любых высот над Землей, визуализации 3D-моделей зданий больших городов. Интересно отметить проект Outerra, разработчики которого добавляют фрактальную детализацию к данным ДЗЗ, генерируют процедурные дороги, леса и различные природные эффекты (рис. 1 .6). Детали реализации разработчики раскрывают в блоге проекта [49]. Существуют такие задачи, как реалистичная вода, динамические тени, смена времен года.





Рис. 1.6. Виртуальный глобус Outerra




Визуализация данных на виртуальном глобусе также входит и в повседневную жизнь. Многие имеют телефоны со встроенными GPS или ГЛОНАСС датчиками. Это позволяет отображать на глобусе маршруты своих передвижений, добавлять географическую привязку к фотографиям и сообщениям в переписке с другими людьми.

Возникают проекты, в том числе с открытым исходным кодом, которые позволяют формировать виртуальный глобус на основе современных спутниковых снимков и цифровых моделей рельефа. Один из примеров — NASA World Wind Java SDK, выпущенный в 2007 году. Другой — библиотека osgEarth, разработка которой началась в 2008 году на языке С++.

Эти проекты позволяют внедрять возможности виртуального глобуса в другие приложения. Они берут на себя генерацию глобуса из данных ДЗЗ, позволяя пользователям подключать любые типы и источники данных, разрабатывать приложения для анализа данных на основе глобуса. Подробнее они рассмотрены в следующем параграфе.


следующая страница >>