|
АННОТАЦИЯ
Аэрофотосъемка уже давно широко используется для получения пространственной информации, которая является одним из основных
источников данных для моделирования реального мира. Одним из видов такого моделирования является трехмерное моделирование
городских территорий [1]. С развитием компьютерной графики появилась возможность усовершенствования методов построения не только
геометрической модели, но приближение ее к реальному миру путем фотореалистичной визуализации методом текстурирования [2].
Кроме того, данные аэрофотосъемки
являются основным источником для текстурирования рельефа и поверхностей [3]. Для текстурирования стен зданий и
вертикальных поверхностей в основном используют данные наземной съемки и фотографии отдельных объектов, выполненные как
широкоформатными фотоаппаратами, так и цифровыми камерами. Но данная технология является не только ресурсоемкой, но и трудоемкой,
так как сфотографировать все фасады зданий практически невозможно. Поэтому появилась тенденция использования для аэрофотосъемки
системы камер, которые направлены на получение не только плановых снимков объекта, но и его перспективных изображений. Это позволяет
максимально использовать данные аэрофотосъемки для трехмерного моделирования и фотовизуализации модели.
Целью данной работы является изучение существующих методов построения трехмерной геометрической модели города и ее фотовизуализации.
Основным источником получения пространственных данных и текстурных карт являются данные перспективной аэрофотосъемки. В качестве основной
рабочей платформы рассматривается цифровая фотограмметрическая станция «Дельта» и соответствующее программное обеспечение Digitals.
В качестве дополнительных средств разработки использовались Borland Delphi и графическая библиотека OpenGL, как средства моделирования
использовалось программное обеспечение AutoCAD и 3D Studio Max.
1. ВВЕДЕНИЕ
С каждым днем актуальность двумерной картографической информации становится все меньше и меньше, а имеющиеся данные не всегда
позволяют быстро и эффективно решить возникшие инженерные задачи с требуемой точностью. Возникает потребность моделирования
точной модели реального мира, которая сможет стать основой для моделирования различных ситуаций и решения по ним различных задач.
Существует множество источников получения пространственной информации. Одним из самых простых и наиболее распространенных
является использование векторной карты. В этом случае для построения модели рельефа используются структурные линии рельефа и горизонтали.
Трехмерные объекты получают путем «выдавливания» следа здания на высоту, соответствующую этажности здания.
В качестве данных для текстурирования рельефа в этом случае часто используют растровую карту, а так же имеющиеся для этой
местности ортофотопланы. Для сокращения затрат на реалистичную визуализацию 3D объектов используется библиотека искусственно
созданных текстур, имитирующих цвет и свойства материалов. Данная методика рассматривается в разделе 2 этой статьи.
При моделировании города одной из основных проблем является то, что не существует специально адаптированного программного
обеспечения, которое бы позволило выполнять весь комплекс этапов моделирования. А именно, являлось бы фотограмметрической
станцией, что дает возможность получения пространственных данных по аэрофотосъемке, картографической системой, позволяющей
обработать полученную информацию, геоинформационной системой, позволяющей связать модель с атрибутивными и пространственными данными,
а так же качественным редактором трехмерной графики. Поэтому возникает потребность использования для построения и визуализации модели
нескольких программных продуктов, специализирующихся на конкретном этапе обработки и формирования модели. Комбинированное использование
различных продуктов для создания фотореалистичной модели города описано в разделе 3.
Однако использование нескольких программ является не только неудобным, но и дорогостоящим. Куда проще получить пространственную
информацию и сразу же ее обработать. Как было описано выше, в качестве основного программного продукта на данном этапе исследования
была выбрана программа Digitals. В 2008 году программа бала адаптирована для трехмерного моделирования. Еще ранее для сбора были
разработаны специальные 3D шаблоны, которые позволяют сразу же при сборе получить не каркасную модель, а уже плоскостную. Так же
были добавлены функции работы с текстурами и управления моделью, которые более подробно описаны в разделе 4.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ В DELPHI C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФИЧЕСКОЙ БИБЛИОТЕКИ OPENGL
Исходными данными для создания модели является бумажная карта участка города Донецк. В результате векторизации карты в программе
ArcView GIS 3.2. была создана база пространственных (X, Y, Z) координат, а так же заполнена база атрибутивных данных, содержащих
классификатор объекта, этажность здания или высоту объекта, индикатор разрыва объекта, а так же цвет объекта в RGB. Данные об объектах
были экспортированы в текстовый формат. Для моделирования участка города в среде программирования Delphi было разработано приложение.
Для отображения графики использовалась графическая библиотека OpenGL.
Для отображения модели рельефа использовалась триангуляционная нерегулярная сеть ТИН. В некоторых случаях для моделирования дорог
использовались четырехугольные полигоны, так как они правильнее моделируют поверхность.
В связи с тем, что моделируемый объект местности занимает небольшую площадь, были использованы и классифицированы следующие объекты:
здание, подъезд как элемент здания, зеленые насаждения (газон), асфальтное покрытие, бордюр, трамвайные рельсы, трамвайный и фонарный
столбы.
Программно для каждого объекта местности используются разные способы построения. Здания и подъезды строятся путем выдавливания
полигонов по высоте. Одинаково строятся газоны и асфальтовые покрытия (описано выше). Трамвайные рельсы, о так же трамвайные и
фонарные столбы отрисовываются линиями.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ В AUTOCAD И 3D STUDIO MAX
Исходными данными для построения являются цветные плановые снимки города Haninge, Швеция. Сбор объектов осуществлялся в программе
Digitals по стандартным шаблонам сбора. Для упрощения дешифрирования объектов и разбиения их по слоям, был создан шаблон, который уже
содержит слои, необходимые для оцифровки.
В результате сбора информации было зафиксированы такие объекты как: границы дорог, газонов, характерные точки рельефа и некоторых объектов, крыши домов, гаражей, иных зданий, границы автостоянок, фонари, прочее. Результат оцифровки представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – Оцифровка снимков в Digitals 
Рисунок 2 – Шаблоны зданий
Aнимация: объем - 136Кб, размер - 300х300,
количество кадров - 8, задержка между кадрами - 120 мс, задержка до повторного воспроизведения - 0 мс,
количество циклов повторения - не ограничено Далее данные экспортируются в AutoCad, где происходит геометрическая корректировка объектов и их непосредственное трехмерное моделирование. Геометрическая корректировка выполнялась в основном над зданиями с целью исправления ошибок оцифровки. На данном этапе для упрощения моделирования типовых объектов создается библиотека трехмерных объектов. Библиотека 3D объектов состоит из 31 объекта, которые представлены зданиями. Данные шаблоны являются уже полностью геометрически откорректированными. Модель рельефа в данной модели состоит из двух слоев: асфальтовое покрытие и не асфальтированные площадки.
Рисунок 3 – Процесс построения трехмерной модели 
Рисунок 4 – 3D сцена в AutoCAD Конечная трехмерная модель или 3D сцена строится в программе 3D Studio MAX. Для этого в программу импортируется модель с расширением 3ds, полученная из AutoCad. На импортированные объекты наносятся текстуры, что позволяет более реалистично отобразить модель. Для визуализации был использован стандартный визуализатор с построчной разверткой, в частности – освещение.
Рисунок 5 – 3D сцена в 3D Studio Max
Анимация: объем - 149Кб, размер - 320х240, количество кадров - 3, задержка между кадрами - 180 мс, задержка до повторного воспроизведения - 0 мс, количество циклов повторения - не ограничено
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ В DIGITALS
В качестве основного метода построения 3D-модели города по данным аэрофотосъемки рассмотрено создание текстурированной 3D-модели в среде Digitals. Следует отметить, что это технология направлена на создание модели не для близкого рассмотрения и детализации.
Исходными данными являются данные библиотеки пиктометрии города Бирмингем, Англия.
На рисунке 6 представлена общая схема построения 3D модели в Digitals по перспективным снимкам.
Рисунок 6 – Схема построения 3D модели Рассмотрим вышеперечисленные этапы создания 3D-модели.
СБОР РЕЛЬЕФА. Выполняется измерение точек земной поверхности и сбор структурных линий рельефа в стереорежиме.
ПОСТРОЕНИЕ ЦМР/ТИН ЦМР. строится по собранным на предыдущем этапе объектам, т.е. по объектам рельефа. Если рельеф сложный, то иногда лучший результат дает построение ЦМР по предварительно созданной ТИН.
СБОР 3D-ОБЪЕКТОВ. Сбор трехмерных объектов выполняется в слое «3D-модель». Особенностью этого слоя является то, что в нем объекты представляются гранями, а не полилиниями.
Сбор объектов выполнялся по имеющимся в Digitals шаблонам зданий, представленным на рисунке 7.
Рисунок 7 – Шаблоны зданий 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 автоматического проецирования стен на поверхность ЦМР создана функция переприсваивания высот. Функция работает следующим образом: для каждой вершины грани объекта определяется соответственная точка на ЦМР. Плановые координаты у нее остаются прежними, а координата Z получается интерполированием по ЦМР.
Рисунок 8 – Результат переприсваивания высот При этом для каждой грани стены методом интерполяции определяется высотная отметка основания. Недостаток данного алгоритма состоит в том, что построенная грань может не совпадать с поверхностью, образовывая при этом «зазоры» между объектами.
Текстурирование в Digitals выполняется средствами открытой графической библиотеки OpenGL. Файл с текстурой в Digitals хранится в форматах BMP и JPEG. Так как в OpenGL нет функции чтения/записи графических файлов, система OpenGL обрабатывает массив пикселей [4]. Для того чтобы наложить текстуру на объект, необходимо выполнить следующие действия:
- Загрузить графический файл в память.
- Создать имя-идентификатор текстуры. Имя-идентификатор служит для того, чтобы избежать дубликатов имен, обеспечить их согласования между собой. В качестве имени текстуры может быть использовано любое целое беззнаковое число.
- Сделать его активным, т.е. указать, какой идентификатор будет обрабатываться.
- Создать саму текстуру в памяти. Массив байт, который передается в OpenGL после чтения графического файла, не является еще текстурой, потому что у текстуры должно быть много различных параметров. Поэтому, при создании текстуры необходимо наделить ее определенными свойствами, такими как уровень детализации, способом масштабирования, связывания текстуры с объектом.
- Установить параметры текстуры. Необходимо установить параметры, управляющие обработкой текстуры, применением к ее фрагментам и сохранением в объекте текстуры.
- Установить параметры взаимодействия текстуры с объектом. Указывается, учитывать ли при текстурировании цвет объекта.
- Связать координаты текстуры с объектом. Сопоставление текстурных координат координатам текстурируемой грани.
Digitals работает с двухмерными текстурами (т.е. текстурные координаты задаются двумя параметрами). Текстуры для 3D-объектов генерируются автоматически.
Рисунок 9 – Текстурные координаты 
Рисунок 10 – Результат текстурирования Для текстурирования 3D-объектов в Digitals разработана функция автоматической генерации текстур.
Для определения соответствующей грани текстуры восстанавливается пучок лучей от грани к сенсору камеры. Восстановление лучей выполняется по фотограмметрическим формулам для получения координат точек проецируемой грани. Для определения, является ли грань видимой, для нее восстанавливается вектор нормали.
Вышеперечисленные действия выполняются для всех снимков, содержащих изображение грани. Из текущего набора выбирается тот снимок, на котором проекция грани занимает большую площадь с учетом видимости грани на снимке.
Функция работает с одним каталогом, поэтому все снимки, используемые для текстурирования, должны находиться в одной папке. Выбранная текстура вырезается со снимка с окрестностью, не превышающей 50 пикселей, и записывается в отдельный файл. Все файлы текстур заносятся в отдельный каталог «FileName (Textures)» или файл с текстурами PAK, находящийся в папке с картой. При этом для слоя типа «3D модель» создается табличный параметр «Textures», в котором хранится имя текстуры и текстурные координаты, соответствующие вершинам грани (<Имя файла текстуры>, X1, Y1, X2, Y2, X3, Y3, X4, Y4).
Имя файла текстуры формируется следующим образом:
<Имя снимка, из которого вырезается текстура><~><№ объекта><-><№ грани объекта><.bmp>/<.jpg>
№ объекта – уникальный номер объекта, который является номером объекта в списке объектов карты (машинный номер). Он является скрытым параметром и используется только внутри программы.
Строки с именем текстуры заносятся в том же порядке, в котором перечислены грани в списке точек объектов.
При отображении текстурированной 3D-модели на каждую грань объекта слоя «3D модель» выполняется наложение текстуры по данным табличного параметра «Textures» средствами библиотеки OpenGL. Трансформирование текстуры происходит при каждой ее загрузке средствами OpenGL по мировым и текстурным координатам.
Для текстурирования ЦМР лучше всего использовать ортофотоплан, так как он максимально приближен к плановому отображению объекта моделирования. Но теоретически в качестве текстуры может быть использован и наклонный снимок.
Проецирование текстуры на ЦМР выполняется путем проецирования каждого тайла снимка. Для этого для углов каждого тайла TIF Tiled (блочный ТИФ – 256х256 пикселей) находится его геодезическая координата.
Для того чтобы вычислить геодезические координаты углов тайлов, необходимо решить следующую задачу – по точке на снимке определить геодезическую координату. Координаты углов тайлов вычисляются путем откладывания по 256 пикселей.
Рисунок 11 – Проецирование тайла на ЦМР 
Рисунок 12 – Сбор 3D объектов. Наклонный снимок 
Рисунок 13 – Текстурирование трехмерной модели (Бирмингем, Англия) 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были рассмотрены три метода построения трехмерной модели города, каждый из которых имеет как преимущества, так и недостатки. На данный момент наиболее эффективной является методика построения фотореалистичной 3D модели города в Digitals. Огромным преимуществом является автоматическое генерирование текстур, благодаря которому создается оптимальная текстура для объекта в считанные секунды. Основной объем трудоемкости приходится на сбор информации, а построение по этим данным трехмерное модели и ее визуализация выполняется автоматически, чего нельзя сказать о вышерассмотренных методах. Однако этот метод имеет и ряд недостатков.
Во-первых, он не рассчитан на детальное моделирование объектов. Для моделирования рельефа используется ЦМР, что больше подходит для слабопересеченной местности и дает некорректные результаты для сложного рельефа. Использование ТИН в данной технологии недопустимо. Не всегда корректный результат дает функция переприсваивания высот, поэтому между зданиями и моделью рельефа встречаются зазоры.
Во-вторых, встроенные шаблоны сбора 3D объектов рассчитаны в основном на построение зданий, а для построения качественной модели города такого классификатора недостаточно.
В-третьих, Digitals является картографической системой, поэтому подключение к модели базы данных с атрибутивной информацией тоже является практически невозможным на данном этапе.
В-четвертых, в технологии не предусмотрено использование уровней детализации, что затрудняет обработку больших объектов.
В-пятых, возникает проблема с обменным форматом данных. На сегодняшний день Digitals полноценно не поддерживает ни один формат, который мог бы использоваться для экспорта модели, а внутренний формат DMF не является широко распространенным и не поддерживается другими программами.
Следует отметить, что на момент публикации статьи работа не является оконченной. Поэтому планируется более детальная обработка результатов моделирования в Digitals для получения качественной трехмерной фотовизуализированной модели города.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Берилло А. Современная терминология 3D графики [Электронный ресурс] http://www.ixbt.com/video2/terms2k5.shtml#lod
- Song Y., Shan J. Photorealistic building modeling and visualization in 3-d geospatial information system [Электронный 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 [Электронный 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
[Электронный 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 [Электронный 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 [Электронный 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 [Электронный 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 [Электронный 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 [Электронный ресурс] http://www.opengl.org.ru/books/open_gl
| 