1.4. Выводы по 1 главе
В главе приведен анализ современных методов, применяемых для построения и визуализации виртуальных глобусов и географической визуализации, обзор современного состояния дел, на основании которого сделаны следующие выводы:
1. Существуют готовые закрытые продукты для просмотра спутниковых снимков (Google Earth), открытые библиотеки для разработки производных приложений (osgEarth, NASA WorldWind Java SDK), глобусы для научных задач (Crusta, i3D). Исследования ведутся по направлениям: увеличение реализма визуализации глобуса и 3D-объектов на глобусе (освещение, вода, облака, тени, деревья, дома) и внедрение глобуса для решения практических задач. Существуют стандартные протоколы передачи геопространственных данных и стандартные форматы для хранения данных.
2. При визуализации данных на глобусе нужно учитывать ряд особенностей по сравнению с плоским случаем: точность координат типа float, точность буфера глубины, форму Земли (эллипсоид и геоид) и соответствующие особенности вычисления расстояний и нормалей, большие объемы растровых данных.
3. Алгоритмы для генерации трехмерного рельефа глобуса являются производными от алгоритмов для плоского случая. Могут быть использованы регулярные и нерегулярные сетки, уровни детализации: непрерывные и дискретные, алгоритм Geometry Clipmapping. Все они адаптируются для случая виртуального глобуса. При этом существуют несколько вариантов разбиения поверхности глобуса на тайлы. Варианты имеют свои плюсы и минусы.
4. В данной работе исследовании на основе проведенного анализа выбран алгоритм Chunked Level of Detail [48]. В нем используются дискретные уровни детализации, тайлы рельефа образуют квадродерево, каждый тайл основан на регулярной сетке, глобус разбивается на тайлы по географической сетке. В качестве программной реализации выбран инструментарий osgEarth.
Визуализация виртуального глобуса 2.1. Варианты отображения виртуального глобуса
Виртуальный глобус может применяться для различных задач: от фотореалистичного рендеринга территорий до визуализации научных данных. В разных ситуациях глобус можно отрисовывать с различными настройками, в различных режимах. Для решения одних задач нужна максимальная реалистичность, в других задачах нужно выделить особенности данных, представить данные более наглядно. В этом параграфе рассматриваются существующие основные режимы отображения глобуса.
2.1.1. Варианты условного отображения глобуса
Для визуализации научных или статистических данных не обязателен реалистичный рендеринг. Рендеринг глобуса должен подчеркивать важность данных и служить их лучшему восприятию. Для этого существуют варинаты: растяжение по высоте, вариант с отключенными текстурами, вариант с программной раскраской глобуса.
Растяжение по высоте
В режиме растяжения по высоте высота каждой точки рельефа увеличивается в заданное количество раз (рис. 2 .16). Увеличенная высота вершин может сразу учитываться при генерации геометрии, но этот вариант не позволяет динамически менять высоту и выбирать удобное для работы значение мультипликатора высоты.
Поэтому более гибкий подход — выполнять растяжение в вершинном шейдере. Но для этого необходимо знать высоту вершины над эллипсоидом. Вершины полигональной поверхности хранятся в декартовой системе координат. Динамическое вычисление высоты вершины довольно сложное и сильно влияет на производительность. Поэтому высоту каждой вершины проще вычислить заранее и хранить как вершинный атрибут вместе с другими вершинными атрибутами на видеокарте [43].
На современных видеокартах каждый вершинный атрибут — это 4х-компонентный вектор. Высота вершины хранится только в 1й компоненте. В других 3-х компонентах можно передавать в шейдер любые данные о вершине. Например, нормаль к эллипсоиду в этой точке. Это позволит более точно растягивать рельеф.
|
Рис. 2.16. Режим растяжения по высоте в 10 раз
|
| Затенение глобуса
В режиме отключенных текстур показывается эллипсоид в оттенках серого (рис. 2 .17). С помощью затенения подчеркиваются неровности рельефа. Это удобно в ситуациях, когда текстура имеет более низкое разрешение и мешает сопоставлению визуализируемых данных с рельефом.
В этом режиме реалистичное освещение не требуется. Для лучшего подчеркивания деталей рельефа можно использовать традиционный подход с диффузным освещением по модели Ламберта [71] и бликовым освещением по модели Блинна-Фонга [72]. Источник света можно двигать вместе с камерой.
Модель Ламберта для диффузного освещения:
 ,
|
(2.3)
|
где  — освещенность в точке рельефа,  — нормаль к поверхности,  — направление на источник света.
Модель Блинна-Фонга для бликового освещения:
 ,
|
(2.4)
|
|
(2.5)
|
где  – вектор направления на наблюдателя, p – коэффициент блеска.
Для интерполяции освещения по поверхности можно использовать модель Фонга, при которой интенсивность освещения вычисляется для каждого пикселя с использованием интерполированной нормали. Нормаль интерполируется между вершинами полигональной сетки.
Чтобы дальше увеличивать качество визуализации, необходимо либо увеличивать плотность вершин, либо применять карту нормалей. При вычислении цвета пикселя нормаль берется из карты нормалей. Карта нормалей подходит для всех уровней детализации, кроме максимального. Она позволяет использовать нормали со следующего уровня детализации без необходимости увеличения числа полигонов. Карту нормалей для каждого тайла можно сгенерировать заранее, но это требует увеличенного времени предобработки.
Условное раскрашивание глобуса
В режиме условного раскрашивания вместо использования текстуры цвет каждого пикселя рельефа вычисляется в шейдере на основе заданного алгоритма. Варианты могут быть самые разные в зависимости от задачи, от области применения глобуса. Самые простые: это раскрашивание по высоте (рис. 2 .18) или раскрашивание в зависимости от нормали рельефа (рис. 2 .19). На рельеф вместо спутниковых снимков можно накладывать изображения с научными данными, например с сайта NASA [73].
|
Рис. 2.17. Режим отключенных текстур
|
|
Описанные режимы могут произвольно комбинироваться. Все режимы реализуются на уровне вершинного или фрагментного шейдеров рельефа. В зависимости от выбранных режимов можно динамически генерировать текст шейдера, компилировать и использовать для визуализации глобуса.
|
Рис. 2.18. Режим раскрашивания по высоте
|
Шейдеры в своей работе используют следующие параметры:
вершинные атрибуты: нормаль к рельефу в мировой системе координат, высоту вершины над эллипсоидом, геодезическую нормаль к эллипсоиду;
uniform-переменные: степень прозрачности рельефа, степень растяжения по высоте, положение источника света в мировой системе координат, настройки атмосферы;
дополнительная текстура с картой нормалей;
дополнительная текстура с изображением ночной Земли (огни городов);
прочие текстуры, которые можно использовать при визузализации.
|
Рис. 2.19. Режим раскрашивания по крутизне
|
| 2.1.2. Реалистичное отображение глобуса
Очевидное применение реалистичного рендеринга – это компьютерные игры. Однако такой рендеринг может быть также использован в других областях: при планировании городов, архитектурном проектировании, при реконструкции памятников природного наследия, создании тренажеров и симуляторов.
Для реалистичного рендеринга виртуального глобуса необходимо дополнительно реализовать несколько эффектов.
Атмосферное рассеяние. Чтобы добавить атмосферу к глобусу, нужно создать сферу вокруг глобуса с режимом отбрасывания лицевых граней, чтобы всегда была видна только задняя половина сферы. К этой сфере нужно применить шейдер для расчета эффекта атмосферного рассеяния в зависимости от положения наблюдателя и положения Солнца. Подробнее это рассмотрено ниже.
Облака. Чтобы добавить вид облаков из космоса, достаточно сделать сферу вокруг глобуса с готовой полупрозрачной текстурой облаков. Но у поверхности земли они будут выглядеть размыто. Поэтому по мере приближения к поверхности глобальные облака можно заменять на процедурно сгенерированные с помощью шума Перлина, либо на объемные облака [77, 78].
Освещение. Для расчета освещения необходимо учитывать атмосферное рассеяние, которое рассматривалось выше, и отражательную способность разных территорий. Существуют карты альбедо, которые содержат коэффициент отражения от 0.0 до 0.9. Дополнительно для водных территорий необходимо учесть бликовое освещение [79]. Для этого требуется текстура с маской для различения, где находится вода, а где земля.
Смена времен года. Зная границу снегов зимой можно смоделировать изменение текстуры северных территорий в зависимости от времени года. Для задания граны снегов нужна текстура с маской.
Тени. Тени — одна из самых сложных задач, особенно в случае глобуса. При использовании теневых карт (shadow map) тени получаются размытые из-за недостаточного разрешения теневой карты [80]. Сложность — в определении границ видимой территории, на которую нужно накладывать теневую карту.
Увеличение детализации территорий. Современные карты высот, которые находятся в свободном доступе, имеют низкое разрешение. Чтобы увеличить детализацию, можно добавить высокочастотный шум к рельфу [81].
2.1.3. Атмосферное рассеяние
Атмосферное рассеяние — это основа реалистичного восприятия окружающей среды. Задача учета атмосферного рассеяния состоит в вычислении цвета каждого пикселя неба и поверхности рельефа с учетом положений Солнца и виртуальной камеры [74].
Луч света, попадая на частицы атмосферы, отклоняется в сторону. Это описывается коэффициентом рассеяния и фазовой функцией. Ослабление луча света длиной волны  , который проходит путь  описывается следующей формулой, в которой используется оптический путь:
|
(2.6)
|
где h — высота, — длина волны,  – коэффициент зависимости от длины волны, NR = 8км — толщина атмосферы с однородной плотностью.
Для расчета цвета необходимо вычислить, какая часть изначального пучка света от Солнца рассеялась, а какая осталась и попала на сетчатку глаза. Это определяется уравнением рассеяния. В это уравнение входит громоздкий интеграл, который аналитически не берется, а численное интегрирование довольно сложное. В 1993 году Нишита предложил алгоритм расчета интеграла, который, однако, занимал много времени [74].
Проведение этих расчётов в реальном времени долго было недостижимой задачей. В начале 2000-х годов с появлением графических процессоров и возможности их программирования с помощью языков шейдеров начались разработки по расчёту цвета атмосферы в реальном времени. В 2005 году О’Нил упростил алгоритм Нишиты и адаптировал его для расчета на GPU [75]. Алгоритм подходит для бесшовного рендеринга атмосферы для любого положения камеры от поверхности до дальнего космоса и любого вектора направления на Солнце. Многие авторы в дальнейшем занимались усовершенствованием этого алгоритма [40, 76].
Несмотря на сильное упрощение, алгоритм обеспечивает правдоподобный результат. Из-за его простоты и высокого быстродействия он сейчас используется во многих графических приложениях.
Для сравнения в работе [40] дополнительно используются текстуры с предрассчитанными значениями. В работе [76] дополнительно производится учет множественного рассеяния и учет неровностей рельефа.
Технически алгоритм распадается на две составные части: вычисление цвета неба и модификация цвета рельефа.
Для рендеринга неба используется сфера с радиусом на 2,5% больше полярного радиуса Земли с включенным отбрасыванием лицевых граней полигонов, чтобы наблюдатель видел только изнанку сферу. Большая часть сферы закрывается земным эллипсоидом. Через каждый пиксель неба пускается луч, и определяются точки входа и выхода из атмосферы. Для полученного отрезка вычисляется интеграл рассеяния методом численного интегрирования. Отрезок разбивается на несколько точек, для которых вычисляется доля рассеянного света (рис. 2 .20). Интеграл считается для 3-х компонент света и для 2-х случаев рассеяния. Результат суммируется.
Рис. 2.20. Атмосферное рассеяние
Аналогичный алгоритм можно применить и для рельефа. Отраженный от рельефа луч свет также претерпевает рассеяния в атмосфере. Чем дальше находится точка рельефа, тем сильнее свет рассеивается. Поэтому дальние участки рельефа у горизонта кажутся находящимися в голубоватой дымке. Цвет неба плавно переходи в цвет поверхности (рис. 2 .21).
Рис. 2.21. Атмосфера
Эту же идею можно применить к рендерингу объектов на рельефе, например, удаленных деревьев и домов, которые также скрываются в голубоватой дымке.
|
