АННОТАЦИЯ:
Несмотря на то, что геоинформационные системы широко используются в различных сферах как мощное средство для пространственного анализа и принятия решений, возможности их использования для реалистичного 3D моделирования городских территорий достаточно ограничены. Целью данной работы является объединение новейших достижений в 3D моделировании и визуализации с ГИС для увеличения возможностей в области 3D. Для получения фотореалистичного изображения здания модели собраны по данным аэрофотосъемки. Текстуры для крыш и стен зданий получены соответственно из ортоизображений и материалов наземной съемки. В качестве рабочей платформы для исследования используется ArcGIS, а в качестве средств разработки – ArcObjects и Visual Basic. В данной статье описана геометрия 3D моделирования, структура данных, создание текстур и их соединение с геометрической моделью. Результатом является создание реалистичной модели Purdue University и ее визуализация средствами ArcScene.
1. ВВЕДЕНИЕ
Трехмерная (3-D) фотореалистичная визуализация является важнейшей функцией геоинформационной системы (ГИС) и обеспечивает более удобное представление геопространственных данных [3]. В последние годы создано много моделей типичных объектов, таких как рельеф местности, дороги, водоемы, растительность, др. Однако первоначально эти модели являются двумерными или 2,5 – мерными. 3-D объекты, например, здание, не может быть правильно представлено на основе 2,5-D структуры данных [1]. Для создания качественной геометрической модели необходимо учитывать пространственное расположение и топологию зданий. Кроме того, модель должна содержать дополнительную информацию (атрибутивные данные и данные о текстурах) для выполнения запросов и визуализации. Использование в качестве текстур изображений позволяет не только увеличить реалистичность модели, но и детализировать ее. Это повышает интерпретируемость, то есть легче и достовернее воспринимаются отношения между объектами при визуализации фотореалистичной модели [8]. Несмотря на множество исследований в области компьютерной графики и наличие программных продуктов, обработка в них геопространственных данных и их интегрирование в существующие ГИС-пакеты затруднена. Тем не менее, ГИС является основной и широко используемой средой для двумерного представления пространственных данных, но ее функциональность в сфере 3-D очень ограничена.
Целью исследования является изучение структуры 3- D данных, их включение в ГИС и использование для повышения возможностей фотореалистичной визуализации. В статье сначала описывается целесообразность создания геометрических моделей зданий при 3-D моделировании и визуализации. Далее описывается метод 3-D моделирования геометрии здания, в соответствии с которым здание состоит из двух частей: крыши и стен (вертикальных). Для фотовизуализации используются текстурные карты, полученные из аэрофотоснимков и наземных фотографий стен. Так же описан алгоритм соединения текстур с геометрическими объектами и интегрирование модели зданий с другими геоданными для получения целостной модели города. Все разработки интегрированы в пакет ArcGIS для улучшения визуализации 3-D модели. Точная генерация текстур и автоматическое отображение текстуры является важной процедурой достижения высококачественного эффекта. Для того чтобы продемонстрировать и оценить разработки, была создана 3-D фотореалистичная виртуальная модель территории Purdue University.
2. СОЗДАНИЕ ГЕОМЕТРИЧСКОЙ МОДЕЛИ
Большинство ГИС-пакетов предназначены для моделирования рельефа местности и других 2-D черт. Поэтому они не подходят для создания 3-D моделей. В таких моделях третье измерений достигается, как правило, за счет выдавливания 2-D контура. При таком подходе можно моделировать только плоские горизонтальные крыши или их части. Поэтому возникает необходимость подключения к ГИС дополнительных возможностей для создания 3-D моделей.
Существует множество методов моделирования 3-D объектов: каркасное (скелетное) [wire frame model], поверхностное [surface model] и твердотельное [solid model] моделирование. ГИС-пакеты, как правило, используют поверхностные модели, а твердотельные модели широко используются в САПР и компьютерной графике. Сейчас тенденция направлена на представление зданий в среде САПР. Такие твердотельные модели, как CSG (Council of State Governments – конструктивная блочная геометрия) и B-rep (Boundary representation – контурное представление) хорошо подходят для представления объектов сложной геометрии, а так же их физических характеристик. Однако такое представление требует большого объема ОЗУ и характеризуется медленных отображением на мониторе из-за сложной структуры данных и оценки полученных данных во время рендеринга. На рис. 1 показаны каркасная и плоская модели для одной группы зданий. В каркасной модели грани образованы вершинами, а информация о гранях отсутствует. Точка является замкнутой вершиной в полигоне, на основе которого генерируется грань при рендеринге. Поверхностная модель является улучшенной каркасной моделью. Объект представлен не только гранями, но и набором граней, называемым патчами (patches), каждый из которых может состоять из нескольких полигонов. Эти полигоны при необходимости могут быть представлены вершинами и их топологическими отношениями. Простота данных обеспечивает быстрый рендеринг. Тем не менее, моделирование поверхностей, основанной на полигонах, не может с высокой точностью отобразить объект с криволинейной поверхностью, так как количество необходимых сегментов для описания кривой пропорционально превышает радиус кривизны [5]. После сравнения методов моделирования, было принято решение применять поверхностное моделирование, описанное в этой статье. Причиной так же является простота моделирования и поддержание его средствами ГИС. Благодаря тому, что смоделированный объект состоит из полигонов, с ним можно непосредственно связать атрибутивные данные. К тому же здания в ГИС обычно не рассматриваются как твердотельная модель и в основном состоят из ребер или границ. Поэтому преимущества твердотельного и недостатки поверхностное моделирования в крайнем случае используются при моделировании зданий и их визуализации.
(a)
(b)
После того, как был выбран метод моделирования, мы рассматриваем его относительно соответствующих текстур изображения. В общем, программное обеспечение 3D графики использует направленный метод проекции для отображения текстуры, поэтому необходимо избегать пересечения пучков лучей при проецировании текстуры на плоскость. Для этого геометрия здания делится на две части: крыша и стены. В описанном методе используется формат шейп-файлов от ESRI (Environmental System and Research Institute), который является расширенным форматом для 3D моделирования и визуализации. Шейп-файл состоит из главного файла (main file), индексного файла (index file) и таблицы dBase. Главный файл – это файл прямого доступа, содержащий записи переменной длины, каждая из которых описывает объект при помощи списка вершин. В индексном файле каждая запись содержит смещение соответствующей записи в главном файле относительно начала главного файла. Таблица dBase содержит атрибуты объектов [4]. Главный файл описывает трехмерный вид как PointZ, MultiPointZ, PolyLineZ, PolygonZ, MultiPatch. Тип MultiPatch обычно применяется для описания 3D построения. Однако достаточно трудно использовать топологию и пространственный анализ в функциях ГИС и напрямую связать атрибутивные данные с геометрией объектов. Поэтому в работе использовался тип PolygonZ, который модифицирован для моделирования и визуализации.
Шейп-файл создавался в процессе оцифровки стереопары в Stereo Analyst от ERDAS IMAGINE. Исходными данными, полученными из Stereo Analyst для моделирования зданий, являются 3D координаты вершин крыши и высотные отметки контура здания у основания и уровня земли. Координаты стен генерируются автоматически по имеющейся в шейп-файле информации, основываясь на том, что стены являются вертикальными. Таким образом, если некоторые части здания не являются вертикальными, с точки зрения структуры модели они рассматриваются и классифицируются как крыша, хоть и являются стенами в реальности. Структура модифицированного главного файла для зданий представлена на рисунке 2. Таким образом все части зданий были успешно интегрированы в компактную модель данных, которая будет использоваться в текстурировании и рендеринге модели.
Пространственная структура данных для построения модели
Рисунок 2 – Структура данных главного файла для построения модели
3. СОЗДАНИЕ ТЕКСТУРЫ
Для фотореалистичного моделирования зданий каждый фасад (вертикальная или невертикальная плоскость) нобходимо связать с реалистичной текстурой, которая представлена цветным RGB изображением [6]. Для текстурирования крыш и стен используются различные методы. Для текстурирования крыш используются ортофотоснимки, а для текстурирования стен – снимки портативной ручной камеры.
3.1 Текстурирование крыши
Для текстурирования крыш используют отсканированные аэрофотоснимки. На основании принципов фотограмметрии текстуры крыш связываются с соответствующими им объектами. Так же возникла проблема использования большого количества ортофотоснимков и использование их для текстурирования каждый раз при при построении модели неэффективно. Для решения этой проблемы было сгенерировано ортофотоизображение в системе координат модели, что позволяет связать изображения и 3D объекты для создания текстурных карт. Расположения сегментов изображений, используемых для текстурирования крыш, в аэроснимках и их ориентирование являются наиболее значимыми параметрами для отображения текстуры. Текстуры крыш генерируются только для внешних граней. На рисунке 3 представлен пример генерации текстуры по ортоизображению.
(a)
(b)
3.2 Текстурирование стен
Снимки для текстурирования стен были сделаны цифровым и широкопленочным фотоаппаратом (35 мм). На следующем этапе снимки с широкопленочной камеры были отсканированы на настольном сканере. Для текстурирования стен был использован метод, отличающийся от текстурирования крыш. Каждой стене соответствует один растровый файл. Более детально методика соотношение между гранью стены и ее текстурой, а так же их соединение, описано в следующей главе.
4. ФОТОРЕАЛИСТИЧНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
После того, как подготовлены геометрические модели и текстуры, построение фотореалистичной модели выполняется во встроенном в ArcGIS модуле ArcObjects. ArcObjects является платформой разработки для ArcGIS Desktop на базе объектно-ориентированного программирования, которая включает в себя набор внедряемых компонентов [9]. Эта платформа использовалась для автоматизации выбора текстур для сцен и их связывания с геометрической моделью. На рисунке 4 представлена общая процедура генерирования фотореалистичной модели с учетом всех необходимых данных.
(b)
После генерирования геометрической 3D модели зданий происходит текстурирование крыш по данным аэрофотосъемки. Для правильного проецирования текстуры необходимо учесть геометрическое соотношение между 2D координатами текселей и 3D координатами модели, описанное уравнениями ортографической проекции. Для представления 3D объекта на 2D поверхности необходимо выполнить однородное трансформирование матриц с двенадцатью параметрами [7]. В этой матрице u и v – координаты пикселей экрана, X, Y и Z – координаты объекта, R – поворот матрицы Rij, t – сдвиг, a, m и v – внутренние коэффициенты, s и T – проецируемые параметры.
Для отображения текстурированных 3D зданий удобно использовать перспективную проекцию, основанную на визуализации углов и масштабов. Результат рендеринга представлен на рисунке 5а. Здесь в качестве текстуры используется ортотрансформированное изображение.
Тем не менее, этих данных не достаточно для текстурирования крыш и стен в ArcScene. Если один объект состоит из нескольких патчей, то ArcScene не поддерживает формат описания геометрии PolygonZ, выбранный на начальном этапе. Поэтому невозможно использовать рендеринг для текстурирования стен в ArcScene, несмотря на то, что шейп-файл содержит пространственную информацию о вертикальных стенах. Их необходимо рассматривать отдельно.
(b)
Для отображения текстуры стены необходимо добавить специальный графический слой. Этот слой создается только для визуализации стен и не имеет никакого отношения к структуре данных или запросов, так как не содержит атрибутивных и пространственных данных. Вся информация о вертикальных стенах содержится в том же шейп-файле, что и данные о крышах. Используя пространственные данные о стенах в слое зданий, временно создается полигон, описывающий стену, который связывается с соответствующей текстурой. После этого по методу, аналогичному текстурированию крыш, извлекаются параметры, по которым текстура связывается с плоскостью стены. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут сгенерированы текстуры стен всего здания. Следующим этапом является сопоставление графического файла с соответствующей стеной. Фотографирование всех стен зданий на территории моделируемой территории является не только невозможным, но и практически ненужным. Таким образом, стены зданий были классифицированы по материалу, цвету и пропорциональному отношению широты к высоте. В данном исследовании были использованы три типа стен с различными размерами: темно-красный кирпич, светло-красный кирпич и серый бетон. ArcObjects автоматически может выбрать и связать с геометрическим объектом только те текстуры стен, которые были предварительно сгруппированы. Программа так же вычисляет соотношение высоты и ширины изображения, а затем сравнить его с соотношением размеров фасада вертикальной стены. Далее выполняется поиск наиболее пропорциональных фасадов и текстур. На рисунке 5b представлен результат рендеринга текстурированых стен и крыш.
После того, как модель была построена, ее можно загрузить в ArcScene или другие коммерческие ГИС, поддерживающие формат шейп-файлов. Преимущество данного метода состоит в том, что остается возможность использования всех функций, поддерживаемых коммерческой ГИС, таких как изменение точки обзора, затенение, добавление и объединение данных и др. Благодаря этим функциям возможно добавление модели здания в модель города, а так же более реалистичное представление модели.
Вышеописанная процедура использовалась для создания фотореалистичной виртуальной модели кампуса Purdue в West Lafayette. В ходе процесса текстуры для стен выбирались автоматически согласно описанным выше условиям. После этого по ЦМР (цифровая модель рельефа) и данным аэрофотосъемки генерируется модель местности. Виртуальная модель кампуса Purdue образуется в результате интеграции модели местности и 3D зданий. На рисунке 6 представлены текстурированные здания в крупном плане. Из рисунка видно, что наложение текстур на здание прошло успешно как по углам, так и в центре модели. На рисунке 7 и 8 представлены вид с уровня земли и панорама модели кампуса соответственно. Результат является более реалистичным, если текстуры подверглись ручному редактированию, а так же если были гармонично подобраны группы текстур по цвету и материалу. Наземные ориентиры, такие как вышки и статуи, а так же объекты окружающей среды, как деревья и камни, трудно моделируются по имеющимся данным и методам текстурирования. Они должны моделироваться отдельно и будут рассмотрены при дальнейших исследованиях.
(a)
(b)
Рисунок 7. Вид фотореалистичной 3-D модели кампуса Purdue с уровня земли
Рисунок 8. Вид фотореалистичной 3-D модели кампуса Purdue с высоты птичьего полета
5. ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ЗАМЕЧАНИЯ
Эти исследования успешно интегрировали возможности фотореалистичной визуализации в 3-D ГИС и дали хороший результат. Во-первых, геопространственная геометрическая модель должна быть тщательно отобрана исходя из разных соображений, например, разграничение 3D геометрии и топологии, выполнение пространственных запросов, эффективность отображения текстуры. Структура PolygonZ является подходящим выбором и может учесть все необходимые факторы. Во-вторых, отображение текстур является важным шагом в фотореалистичной визуализации. Для текстурирования модели используется ортоплан. Благодаря этому все крыши зданий могут быть легко и качественно текстурированы. В-третьих, было успешно произведено автоматическое текстурирование стен зданий, что значительно сокращает время в сравнении с ручным текстурированием.
Дальнейшие силы будут направлены на улучшение работы, выявление других возможностей эффективного 3D моделирования, упрощение текстурирования и рендеринга. Так же будет рассматриваться согласования текстур крыш и вертикальных стен по цвету, разрешающей способности, контрастности и пространственной точности. Планируется направить дальнейшую работу на использование при моделирование более сложных геопространственных объектов и черт и другой геопространственной информации.
ЛИТЕРАТУРА
- Braun C., Kolbe T.H., Lang F., Shickler W., Steinhage V., Cremers A.B., Forstner W., Plumer L. (1995). “Models for Photogrammetric Building Reconstruction.” Computer & Graphics, Vol. 19, No. 1, pp. 109-118.
- Bruke R.(2003) “Getting to know ArcObjects” ESRI Press
- El-Hakim S., Brenner C., Roth G.(1998). “An approach to creating virtual environments using range and texture.” International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 32, pp. 331-338, Hakodate
- Environmental System and Research Institute (1998) “ESRI Shapefile Technical Description” ESRI Press
- Foley J. D., Dam A. V., Feiner S. K., Hughes J. F, Phillips R. L.(1993), “Introduction to Computer Graphics”, Addison- Wesley
- Gulch E.(1997) “Application of Semi-Automatic Building Acquisition”, Automatic Extraction of Man-Made Objects from Aerial and Space image, Birkhauser Verlag, Vol. 2, pp129-138
- Hearn D., Baker M. P.(1994) ” Computer Graphics” ,2nd Ed., Prentice-Hall
- Varshosaz M. (2003) “True Realistic 3-D Models of Building in Urban Areas”. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXIV-5/W10
- Zeiler M.(2001) “Exploring ArcObjects” ESRI Press.