|
АНОТАЦІЯ
Аерофотознімання вже давно використовується для отримання просторової інформації, яка є одним з основних джерел матеріалів для моделювання реального світу.
Одним з видів такого моделювання є тривимірне моделювання міських територій [1]. З розвитком комп'ютерної графіки з'явилася можливість удосконалення
методів побудови не тільки геометричної моделі, але й її наближення до реального світу шляхом фотореалістічной візуалізації [2]. Крім того,
матеріали аерофотознімання є основним джерелом для текстурування рельєфу і горизонтальних поверхонь. Для текстурування стін будівель та вертикальних
поверхонь в основному використовують матеріали наземної зйомки та фотографії окремих об'єктів, виконані як широкоформатним фотоапаратами,
так і цифровими камерами[3]. Але ця технологія є не тільки ресурсномісткою, але і трудомісткою, тому що зфотографувати всі фасади будинків практично
неможливо. Тому з'явилася тенденція використання для аерофотознімання системи камер, які спрямовані на отримання не тільки планових знімків об'єкта,
але й його перспективних зображень. Це дозволяє максимально використовувати матеріали аерофотознімання для тривимірного моделювання та
фотовізуалізаціі моделі.
Метою даної роботи є вивчення існуючих методів побудови тривимірної геометричної моделі міста та її фотовізуалізаціЇ. Основним джерелом отримання
просторової інформації та текстурних карт є матеріали перспективного аерофотознімання. В якості основної робочої платформи розглядається цифрова
фотограмметричних станція «Дельта» і відповідне програмне забезпечення Digitals. В якості додаткових засобів розробки використовувалися Borland
Delphi та графічна бібліотека OpenGL, в якості засобу моделювання використовувалося програмне забезпечення AutoCAD та 3D Studio Max.
1. ВСТУП
З кожним днем актуальність та корисність двовимірної картографічної інформації стає все менше і менше, а наявні матеріали не завжди
дозволяють швидко і ефективно вирішити інженерні задачі, що виникли, з необхідною точністю. Виникає потреба моделювання точної моделі
реального світу, яка зможе стати основою для моделювання різних ситуацій і вирішення з їх допомогою різних завдань. Окремою проблемою
є інтеграція цієї моделі в ГІС, але на цьому етапі дослідження це питання розглядатися не буде.
Існує безліч джерел отримання просторової інформації. Одним з найбільш простих і найбільш поширених є використання векторної карти.
У цьому випадку для побудови моделі рельєфу використовуються структурні лінії рельєфу і горизонталі. Тривимірні об'єкти отримують
«видавлюванням» сліду будівлі на висоту, відповідну поверховості будівлі. В якості матеріалів для текстурування часто використовують
растрові карти, а так само наявні для цієї місцевості ортофотоплани. Для скорочення витрат на реалістичну візуалізацію 3D об'єктів
використовується бібліотека штучно створених текстур, які імітують колір і властивості матеріалів. Ця методика розглядається в розділі 2
цієї статті.
При моделюванні міста однією з основних проблем є те, що не існує спеціально адаптованого програмного забезпечення, яке б дозволило
виконувати весь комплекс етапів моделювання. А саме, було б фотограмметричною станцією, що дає можливість отримання просторової інформації
аерофотозйнімання, картографічною системою, що дозволяє обробити отриману інформацію, геоінформаційної системою, що дозволяє зв'язати
модель з атрибутивною та просторовою інформацією, а також якісним редактором тривимірної графіки. Тому виникає потреба використання для
побудови та візуалізації моделі кількох програмних продуктів, які спеціалізуються на конкретному етапі обробки і формування моделі.
Комбіноване використання різних продуктів для створення фотореалістічной моделі міста описано в розділі 3.
Однак використання декількох програм є не тільки незручним, але і дорогим. Куди простіше отримати просторову інформацію і відразу
ж її обробити. Як було сказано вище, в якості основного програмного продукту на даному етапі дослідження була обрана програма Digitals.
У 2008 році програма балу адаптована для тривимірного моделювання. Ще раніше для збору були розроблені спеціальні 3D шаблони, які
дозволяють відразу ж при зборі отримати не каркасну модель, а вже плоскосну. Так само були додані функції роботи з текстура і управління
моделлю, які більш докладно описані в розділі 4.
2. МОДЕЛЮВАННЯ В DELPHI C ВИКОРИСТАННЯМ ГРАФИЧНОЇ БІБЛІТЕКИ OPENGL
Вихідними даними для створення моделі є паперова карта ділянки міста Донецьк. В результаті векторизації карти в програмі ArcView GIS 3.2.
була створена база просторових (X, Y, Z) координат та заповнена база атрибутивних даних, що містить класифікатор об'єкта, поверховість будівлі
або висоту об'єкта, індикатор розриву об'єкта та колір об'єкта в RGB. Інформація про об'єкти були експортовані в текстовий формат. Для моделювання
ділянки міста в Delphi була розроблена програма. Для відображення графіки використовувалася графічна бібліотека OpenGL.
Для відображення моделі рельєфу використовувалася тріангуляційна нерегулярна мережа ТІН. У деяких випадках для моделювання доріг використовувалися
чотирикутні полігони, так як вони правильніше описують поверхню.
У зв'язку з тим, що змодельований об'єкт місцевості займає невелику площу, були використані і класифіковані наступні об'єкти: будинок, під'їзд
як елемент будівлі, зелені насадження (газон), асфальтове покриття, бордюр, трамвайні колії, трамвайний і ліхтарні стовпи.
Програмно для кожного об'єкта місцевості використовуються різні способи побудови. Будівлі та під'їзди будуються шляхом видавлювання полігонів
по висоті. Однаково будуються газони та асфальтові покриття. Трамвайні колії, так само як і трамвайні та ліхтарні стовпи, зображуються лініями.
3. МОДЕЛЮВАННЯ В AUTOCAD И 3D STUDIO MAX
Вихідними даними для побудови є кольорові планові знімки міста Haninge, Швеція. Збір об'єктів здійснювався в програмі Digitals за стандартними
шаблонам збору. Для спрощення дешифрування об'єктів та розбиття їх по шарах, був створений шаблон, який вже містить шари, необхідні для збору.
В результаті збору інформації було зафіксовані такі об'єкти як: межа доріг, газонів, характерні точки рельєфу і деяких об'єктів, дахи будинків,
гаражів та інших будівель, межі автостоянок, ліхтарі тощо. Результат збору навелений на рисунку 1.
Рисунок 1 – Збір об'єктів в Digitals
Анимация: объем - 194Кб, размер - 250х250, количество кадров - 16, задержка между кадрами - 60 мс, задержка до повторного воспроизведения - 0 мс, количество циклов повторения - не ограничено 
Рисунок 2 – Шаблони будівель Далі матеріали експортуються в AutoCad, де відбувається геометричне коректування об'єктів та їх безпосередню тривимірне моделювання. Геометричне
коректування виконувалася в основному над будинками з метою виправлення помилок збору. На цьому етапі для спрощення моделювання типових об'єктів
створюється бібліотека тривимірних об'єктів. Бібліотека 3D об'єктів складається з 31 об'єкта, які представлені будівлями. Ці шаблони є вже повністю
геометрично відкоригований. Модель рельєфу у моделі складається з двох шарів: асфальтове покриття і не асфальтований майданчики.
Рисунок 3 – Процес побудови тривимірної моделі 
Рисунок 4 – 3D сцена в AutoCAD Кінцева тривимірна модель або 3D сцена будується в програмі 3D Studio MAX. Для цього в програму імпортується модель з розширенням 3ds,
яка отримана з AutoCad. На імпортовані об'єкти наносяться текстури, що дозволяє більш реалістично відобразити модель. Для візуалізації
був використаний стандартний візуалізатор з построковою розгорткою, зокрема - освітлення.
Рисунок 5 – 3D сцена в 3D Studio Max 4. МОДЕЛЮВАННЯ В DIGITALS
В якості основного методу побудови 3D-моделі міста за матеріалами аерофотознімання розглянуто створення текстурованоъ 3D-моделі в програмі Digitals.
Слід зазначити, що ця технологія спрямована на створення моделі не для близького розгляду і деталізації.
Вихідними даними є дані бібліотекипіктометрії міста Бірмінгем, Англія.
На рисунку 6 наведена загальна схема побудови 3D моделі в Digitals за перспективними знімками.
Рисунок 6 – Схема построения 3D модели Розглянемо вищеперелічені етапи створення 3D-моделі.
ЗБІР РЕЛЬЕФУ. Виконується реєстрація точок земної поверхні та збір структурних ліній рельєфу стереорежіме.
ПОБУДОВА ЦМР/ТІН. ЦМР будується по зібраних на попередньому етапі об'єктах, тобто по об'єктах рельєфу. Якщо рельєф складний, то іноді кращий
результат дає побудову ЦМР за попередньо створеною ТІН.
ЗБІР 3D-ОБ'ЕКТІВ. Збір тривимірних об'єктів виконується в шарі «3D-модель». Особливістю цього шару є те, що в ньому об'єкти
представляються гранями, а не полілініями.
Збір об'єктів виконувався за наявними в Digitals шаблонам будівель, представленим на рисунку 7.
Рисунок 7 – Шаблони будівель в Digitals
Анимация: объем - 194Кб, размер - 250х250, количество кадров - 16, задержка между кадрами - 60 мс, задержка до повторного воспроизведения - 0 мс, количество циклов повторения - не ограничено Для автоматичного проеціювання стін на поверхню ЦМР створена функція перепрісвоювання висот. Функція працює наступним чином: для кожної вершини
межі об'єкта визначається відповідна точка на ЦМР. Планові координати у неї залишаються, а координата Z виходить інтерполірованіем по ЦМР.
Рисунок 8 – Результат переприсвоювання висот При цьому для кожної грані стіни інтерполяцією визначається висотна відмітка підстави. Недолік даного алгоритму полягає в тому,
що побудована грань може не збігатися з поверхнею, утворюючи при цьому «зазори» між об'єктами.
Текстування в Digitals виконується засобами відкритої графічної бібліотеки OpenGL. Файл з текстурою в Digitals зберігається в форматах
BMP і JPEG. Так як в OpenGL немає функції читання / запису графічних файлів, система OpenGL обробляє масив пікселів [4]. Для того,
щоб накласти текстуру на об'єкт, необхідно виконати наступні дії [9, 10]:
-
Завантажити графічний файл у пам'ять.
-
Створити ім'я-ідентифікатор текстури. Ім'я-ідентифікатор служить для того, щоб уникнути дублікатів імен та забезпечити їх узгодження між собою.
В якості імені текстури може бути використане будь-яке беззнаковое ціле число.
-
Зробити його активним, тобто вказати, який ідентифікатор буде оброблятися.
-
Створити саму текстуру в пам'яті. Масив байт, який передається в OpenGL після читання графічного файлу, не є ще текстурою, тому що у текстура повинна мати різні параметри.
Тому, при створенні текстури необхідно наділити її певними властивостями, такими як рівень деталізації, способом масштабування, зв'язування текстури
з об'єктом.
-
Встановити параметри текстури. Необхідно встановити параметри, які керують обробкою текстури, застосуванням до її фрагментах і збереженням в об'єкті
текстури.
-
Встановити параметри взаємодії текстури з об'єктом. Вказується, враховувати при текстурування колір об'єкта.
- Зв'язати координати текстури з об'єктом. Зіставлення текстурних координат координатами текстурній грані.
Digitals працює з двомірноми текстурами (тобто текстурні координати задаються за двома параметрами). Текстури для 3D-об'єктів генеруються автоматично.
Рисунок 9 – Текстурні координати 
Рисунок 10 – Результат текстування
Для текстурування 3D-об'єктів в Digitals розроблена функція автоматичної генерації текстур.
Для визначення відповідної межі текстури відновлюється пучок променів від межі до сенсора камери. Відновлення променів виконується за
фотограмметричними формулами для отримання координат точок проектованого грані. Для визначення, чи є грань видимою, для неї відновлюється
вектор нормалі.
Перераховані вище дії виконуються для всіх знімків, що містять зображення грані. З поточного набору вибирається той знімок,
на якому проекція грані займає більшу площу з урахуванням видимості межі на знімку.
Функція працює з одним каталогом, тому всі знімки, які використовуються для текстурування, повинні знаходитися в одній папці.
Обрана текстура вирізується зі знімка з відступами, що не перевищують 50 пікселів, і записується в окремий файл. Всі файли текстур заносяться
в каталог «FileName (Textures)» або файл із текстура PAK, що знаходиться в папці з картою. При цьому для шару типу «3D модель» створюється
табличне параметр «Textures», в якому зберігається ім'я текстури і текстурні координати, що відповідають вершинам межі
(<Файл текстури>, X1, Y1, X2, Y2, X3, Y3, X4, Y4).
Файл текстури формується наступним чином:
<Знімок><~><Об'єкт><-><Грань><.bmp>/<.jpg>
№ об'єкта - унікальний номер об'єкта, який є номером об'єкта в списку об'єктів карти (машинний номер).
Він є прихованим параметром і використовується тільки всередині програми.
Рядки з ім'ям текстури заносяться в тому ж порядку, в якому перераховані межі в списку точок об'єктів.
При відображенні текстурованої 3D-моделі на кожну грань об'єкта шару «3D модель» виконується накладення текстури за даними табличного параметра
«Textures» засобами бібліотеки OpenGL. Трансформування текстури відбувається при кожному її завантаженні засобами OpenGL за світовими та
текстурними координатам.
Для текстурування ЦМР краще всього використовувати ортофотоплан, так як він максимально наближений до планового відображенню об'єкта моделювання.
Але теоретично в якості текстури може бути використаний і похилий знімок.
Проекція текстури на ЦМР виконується шляхом проеціювання кожного тайла знімка. Для цього для кутів кожного тайла TIF Tiled
(блочний тиф - 256х256 пікселів) знаходиться його геодезична координата.
Для того щоб обчислити геодезичні координати кутів тайла, необхідно вирішити наступну задачу - по точці на знімку визначити геодезичних координат.
Координати кутів тайла обчислюються шляхом відкладання по 256 пікселів.
Рисунок 11 – Проекція тайла на ЦМР 
Рисунок 12 – Збір 3D объектов 
Рисунок 13 – Текстування тривімірної моделі (Бірмінгем, Англія) 5. ВИСНОВОК
У цій роботі були розглянуті три методи побудови тривимірної моделі міста, кожен з яких має як переваги, так і недоліки.
На даний момент найбільш ефективною є методика побудови фотореалістічной 3D моделі міста в Digitals.
Величезною перевагою є автоматичне генерування текстур, завдяки якому створюється оптимальна текстура для об'єкта в лічені секунди.
Основний обсяг трудомісткості припадає на збір інформації, а побудова за цими даними тривимірне моделі та її візуалізація виконується а
втоматично, чого не можна сказати про вишерассмотренних методах. Однак цей метод має й ряд недоліків.
По-перше, він не розрахований на детальне моделювання об'єктів. Для моделювання рельєфу використовується ЦМР,
яка більше підходить для слабопересеченной місцевості та дає некоректні результати для складного рельєфу.
Використання ТІН в цій технології неприпустимо. Не завжди коректний результат дає функція перепрісваіванія висот,
тому між будинками і моделлю рельєфу зустрічаються зазори.
По-друге, вбудовані шаблони збору 3D об'єктів розраховані в основному на побудову будинків, а для побудови якісної моделі міста
такого класифікатора недостатньо.
По-третє, Digitals є картографічної системою, тому підключення до моделі бази даних з інформацією атрибутивної теж є практично
неможливим на даному етапі.
По-четверте, в технології не передбачено використання рівнів деталізації, що затруднює обробку великих об'єктів.
По-п'яте, виникає проблема з обмінних форматом даних. На сьогоднішній день Digitals повноцінно не підтримує жоден формат,
який міг би використовуватися для експорту моделі, а внутрішній формат DMF не є широко поширеним і не підтримується іншими програмами.
Слід зазначити, що на момент публікації статті робота не є закінчена. Тому планується більш детальна обробка результатів моделювання в
Digitals для отримання якісної тривимірної фотовізуалізірованной моделі міста.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
- Берилло А. Современная терминология 3D графики [Електронний ресурс] http://www.ixbt.com/video2/terms2k5.shtml#lod
- Song Y., Shan J. Photorealistic building modeling and visualization in 3-d geospatial information system [Електронний ресурс] http://www.isprs.org/congresses/istanbul2004/yf/papers/922.pdf
- Гречищев A., Бараниченко В., Монастырев С., Шпильман А., Трехмерное моделирование и фотореалистическая визуализация городских территорий. Газета ArcReview. - 2002. - №7 [Електронний ресурс] http://www.dataplus.ru/arcrev/number_25/12_model.htm
- Nour El Din M., Al Khalil O., Grussenmeyer P., Koehl M. Building reconstruction based on three-dimensional photo-models and topologic approaches
[Електронний ресурс] http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/28/12/70/PDF/NoureldinAlkhalilGrussenmeyerKoehl_FIG2000.pdf
- Muller H. Object-oriented modeling for the extraction of geometry, texture and reflectance from digital images [Електронний ресурс] http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.15.8040&rep=rep1&type=pdf
- Braun C., Lang F., Schickler W., Forstner W., Kolbe T. H., Steinhage V., Cremers A. B., Plumer L. Models for photogrammetric building reconstruction [Електронний ресурс] http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download;jsessionid=622C84FE7DFD49E9255DA71612D5EA3E?doi=10.1.1.24.2791&rep=rep1&type=pdf
- Kolbe T. H., Groger G. Towards unified 3d city models [Електронний ресурс] http://www.citygml.org/fileadmin/count.php?f=fileadmin%2Fcitygml%2Fdocs%2FCGIAV2003_Kolbe_Groeger.pdf
- Suveg I., Vosselman G. 3D building reconstruction by map. Based generation and evaluation of hypotheses [Електронний ресурс] http://www.bmva.ac.uk/bmvc/2001/papers/12/accepted_12.pdf
- Ву М., OpenGL. Руководство по программированию. Библиотека программиста. - [4-е изд]. / М. Ву, Т. Девис, Дж. Нейдер, Д. Шрайнер – Спб.: Питер, 2006. – 624 с.: ил.
- Тарасов И. OpenGL [Електронний ресурс] http://www.opengl.org.ru/books/open_gl
<<<
| 