Методика моделирования цифровых реалистичных макетных снимков с использованием машинной графики

МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ РЕАЛИСТИЧНЫХ МАКЕТНЫХ СНИМКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАШИННОЙ ГРАФИКИ

Вячеслав Николаевич Никитин

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. +7-(913)-712-37-50, e-mail vslav.nikitin@gmail.com

Анастасия Евгеньевна Сидякина

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. +7-(923)-249-14-10, e-mail Anastliss@mail.ru

В статье рассмотрена методика моделирования цифровых реалистичных макетных снимков с использованием методов машинной графики.

TECHNIQUE OF DIGITAL REALISTIC MOCK-UP IMAGES MODELING BY COMPUTER GRAPHICS

Vyacheslav N. Nikitin

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 630108, Novosibirsk, Plakhotnogo 10, PhD,associate professor of Department of Photogrametry and Remote Sensing, tel. +7-(913)-712-37-50, e-mail: vslav.nikitin@gmail.com

Anastasia E. Sidyakina

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 630108, Novosibirsk, Plakhotnogo 10, postgraduate student of Department of Photogrametry and Remote Sensing, tel. +7-(923)-249-14-10,e-mail: Anastliss@mail.ru

The article deals technique of digital realistic mock-up images modeling by computer graphics.

В современной фотограмметрии существует ряд вопросов, для решения которых целесообразно применять реалистичные цифровые макетные снимки: тестирование и отладка работы цифровых фотограмметрических станций (ЦФС), обучение операторов работе на цифровом стереоплоттере, оценка точности приближенных формул и т.д. К сожалению, вопросу создания таких тест-объектов в последнее время уделяется недостаточно внимания и в настоящее время не существует цифровых макетных снимков, доступных широкому кругу

пользователей, с помощью которых можно решить вышеперечисленные проблемы.

Задачу построения цифровых реалистичных макетных снимков можно решить несколькими способами:

- Используя современные геоинформационные системы (ГИС) с модулем трехмерной визуализации;

- Используя методы машинной графики.

Моделирование реалистичных изображений с помощью ГИС - это достаточно простой и доступный вариант решения задачи. Примером реализации программной части метода являются ГИС ArcGis с модулем 3D Analyst, ERDAS Imagine с модулем VirtualGIS, ГИС Панорама и др. К достоинствам данного метода можно отнести:

- Большой выбор ГИС-пакетов;

- Широкое распространение ГИС-пакетов и их доступность;

- Достаточно простая технология создания макетных снимков.

У данного метода можно выделить следующие недостатки:

- Для ускорения работы ГИС-пакетов как правило 3D модели подвергаются упрощению;

- Существуют сложности при построении 3D модели на основе земного эллипсоида (частично это проблему можно решить с помощью модуля ArcGis -ArcGlobe);

- Размер формируемого изображения ограничен техническими характеристиками используемого ПК.

Использование методов машинной графики - это более сложная методика построения реалистичных макетных снимков. Она требует от пользователя не только четкого представления всего процесса моделирования в целом, но и глубоких знаний языков программирования, что является главным недостатком методики. К достоинствам можно отнести работу в строгом соответствии с реализованным алгоритмом, что позволит создать реалистичную 3D модель с учетом всех необходимых факторов.

В данной работе предложена методика моделирования цифровых реалистичных макетных снимков методами машинной графики. По результатам планируется разработка специализированного программного продукта, реализующего данную методику.

Конечный результат (вид макетного снимка) будет зависеть от использованных исходных данных. Схема методики построения макетных снимков в общем виде представлена на рис. 1.

Факторами, определяющими сложность моделирования 3D сцены, являются:

Реалистичность обеспечивается использованием ортофотоснимков высокого и сверхвысокого разрешения, моделированием теней и использованием 3D моделей объектов. Высокая точность построения 3D сцены обеспечивается учетом кривизны земной поверхности путем перехода от системы координат картографической проекции (выбор картографической проекции обуславливается исходными данными) к геоцентрической системе координат. Геометрическая модель формирования макетных снимков представлена на рис. 2.

Рис. 1. Методика построения макетных снимков

Космические снимки и ЦМР чаще всего поставляются в системе координат какой-либо картографической проекции. Для дальнейшего использования этих данных необходимо перевести их сначала в геодезическую, а затем в геоцентрическую систему координат. Математически эта задача решается через формулы связи системы координат картографической проекции и геодезической системы координат:

B = fB (XY) 1

L = fL (XY) J , (1)

где B - геодезическая широта L- геодезическая долгота

Затем осуществляется переход из геодезической системы координат в геоцентрическую [1]:

Хг,ОЧ = (N + H)cOS B COS L

Y^ = (N + H )cos B sin L

Zseou = [(1 - e2) N + H ]sin L

где N =

малый радиус кривизны нормального сечения;

первый эксцентриситет;

а, Ь - большая и малая полуоси земного эллипсоида.

Затем космический снимок необходимо наложить на ЦМР. В результате будет получена трехмерная цифровая модель местности, представляющая собой ЦМР, текстурированную ортофототрансформированным космическим снимком. Также, при необходимости, в эту сцену можно включить искусственно

смоделированные 3D объекты. Данная 3D сцена представлена в геоцентрической системе координат.

При решении задачи формирования макетных снимка (рендеринга) необходимо использовать условие коллинеарности для связи координат х, у точек на моделируемом (макетном) снимке и точек 3D сцены:

Также необходимо отметить, что для получения макетного снимка целесообразно использовать метод прямого трассирования лучей, т.е. последовательное проецирование 3D объектов на плоскость с использованием буфера глубины. Известно, что прямое трассирование ведет к появлению ряда ошибок (пропущенные пиксели, появление муара и резких границ) и на практике чаще применяется обратное трассирование. В нашем случае метод обратного трассирования применить невозможно в связи с тем, что ЦМР и ортофотоснимки описаны с помощью параметрических функций. Поэтому для решения поставленной задачи необходимо использовать методику борьбы с дефектами изображения, возникающими при использовании методов прямого трассирования лучей.

В процессе тестирования программного обеспечения ЦФС требуется исследовать как идеальные макетные снимки, так и макетные снимки с различного вида искажениями. Следовательно, по заданной математической модели необходимо внести требуемые искажения в создаваемые макетные снимки.

Рамку с координатными метками, имитирующую рамку реальных аэрофотоснимков можно смоделировать или создать в каком-либо графическом редакторе. Таким образом можно моделировать снимки с различным количеством, видом и расположением координатных меток.

Данная методика позволяет создавать макетные снимки с различными параметрами, для их последующего применения для решения различных фотограмметрических задач.

У - Уо =х - X,

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

© В.Н. Никитин, А.Е. Сидякина, 2012