Автоматизация процесса создания модели окружающей местности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Коломенский институт (филиал)

Федерального государственного образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)"

Инженерно-технологический факультет

Кафедра: Управление информатики и вычислительной техники

Специальность: 230105 (ПОВТиАС)

Отчет по преддипломной практике

Выполнил: Григорьев В.А.

Проверил: к. т. н., доцент Родионов К.А.

Коломна 2012 г.

Оглавление

Введение

1. Цифровые модели рельефа

1.1 Структурная модель местности TIN

1.2 Цифровая модель местности DEM

2. Бикубическая интерполяция высотных данных

3. Техническое задание

3.1 Наименование программного изделия

3.2 Основание для разработки

3.3 Назначение и цель

3.3.1 Назначение

3.3.2 Цель разработки

3.3.3 Термины и определения

3.4 Технические требования к программе или программному изделию

3.4.1 Требования к функциональным характеристикам

3.4.2 Требования по надежности

3.4.3 Требования к условиям эксплуатации и аппаратным средствам

3.4.4 Требования к программной и информационной совместимости

3.4.5 Требования к документации

3.4.6 Требования по эргономике и технической эстетике

3.5 Стадии и этапы разработки

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Современная вычислительная техника развивается высокими темпами, но вместе с тем регулярно возникает необходимость совершенствования программного обеспечения для решения прикладных задач в различных сферах науки и техники. К одним из самых ресурсоемких относятся задачи по формированию окружающей обстановки - моделированию реальной местности для тренажерных комплексов нового поколения.

Исторически тренажерные технологии возникли и получили наибольшее развитие там, где ошибки при обучении на реальных объектах могут привести к чрезвычайным последствиям, а их устранение - к большим финансовым затратам: в военном деле, медицине, ликвидации последствий стихийных бедствий, в атомной энергетике, авиации и космосе, высокотехнологичном производстве и т.д.

По мнению компании Haskett consulting inc. (HCI): "Люди запоминают 20 % того, что они видят, 40 % того, что они видят и слышат и 70 % того, что они видят, слышат и делают". Таким образом необходимым элементом эффективного обучения являются постоянные тренировки.

Развитие общества и технологий делает процесс подготовки и постоянного повышения квалификации специалистов все дороже и дороже. На первое место выходят как проблемы доучебного тестирования и отсева кандидатов (профориентация), так и всемерное удешевление процесса подготовки при сохранении приемлемой эффективности.

Современный тренажер - это сложное аппаратно-программное вычислительное устройство, система моделирования и симуляции, комплекс визуализации, предназначенные для первичной подготовки кадров (водителей наземной и пилотов авиационной техники, стрелков-операторов различных видов вооружения). Тренажеры используются как устройства создания физических моделей реальных объектов, поэтому во многих случаях принципиально важным становится точное позиционирование на местности и имитация окружающей обстановки этой местности, что может быть достигнуто с использованием цифровых карт местности (ЦКМ) для получения цифровой модели местности (ЦММ).

Использование тренажеров, как устройств, представляющих физические модели реальных объектов, высокая степень статического, динамического и информационного подобия тренажеров реальным объектам и пониженные затраты на обучение, делает их важнейшим звеном в системе подготовки кадров.

Таким образом, для автоматизации процесса создания модели окружающей местности была поставлена задача разработать программное обеспечение по моделированию рельефа этой местности на основе топографических карт и прочих объектов на ней (либо при помощи других вспомогательных карт). Выражена необходимость в разработке методов моделирования рельефа, а также второстепенных объектов, таких как здания и сооружения, растительность (деревья). Второстепенной задачей моделирования является приближение графической составляющей к отображению реального мира (полученные результаты визуализации должны легко восприниматься человеком), в эту задачу входит симуляция освещения и погодных условий, применение шейдеров и материалов.

Подобные задачи можно решить, используя средства 3d моделирования (как коммерческие - 3D Max, Maya, Cinema 4D, так и некоммерческие - Blender), а также средства разработки интерактивных 3d приложений и игровые движки. Одним из таких средств кроссплатформенной разработки 3d приложений является Unity3d. Кроме того, Unity доступен бесплатно как для некоммерческого, так и для коммерческого использования.

моделирование рельеф программное обеспечение

1. Цифровые модели рельефа

Цифровая модель рельефа - это средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей, рельефа) в виде трехмерных данных как совокупности высот или отметок глубин и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот, нерегулярной треугольной сети или как совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний. Источниками исходных данных для создания цифровых моделей рельефа служат топографические карты и планы, аэрофотоснимки, космические снимки и другие данные дистанционного зондирования, данные спутниковых систем позиционирования, нивелирования и других методов геодезии. Постоянно расширяется сфера применения цифровых моделей рельефа, поэтому развитие технологий и методов создания цифровых моделей рельефа является очень перспективным.

Исходные данные для формирования ЦМР могут быть получены по картам - цифрованием горизонталей, по стереопарам снимков, а также в результате геодезических измерений или лазерного сканирования местности. Наиболее распространен первый способ, т.к. сбор по стереопарам снимков отличается трудоемкостью и требует специфического программного обеспечения, но в то же время позволяет обеспечить желаемую степень детальности представления земной поверхности. Лазерное сканирование (LIDAR) перспективный современный метод, пока достаточно дорогой, но обладающий высокой точностью.

Существует два кардинально различающихся способа получения данных для построения цифровых моделей рельефа. Первый способ - это методы дистанционного зондирования и фотограмметрия. Однако высокое разрешение получаемых таким способом моделей рельефа пока не находит должного применения в большинстве случаев. Второй способ - построение моделей рельефа путем интерполяции оцифрованных изолиний из топографических карт.

Применяемые в настоящее время способы построения цифровой модели рельефа, в зависимости от принятой схемы размещения точек и типа математической модели, можно условно разделить на две группы.

Первая группа объединяет способы, основанные на нелинейной интерполяции высот с использованием полиномов, сплайнов, корреляционных функций и т.п., различающиеся видом используемой функции, способом отбора исходных пунктов и пр. Параметры применяемой математической модели вычисляют по опорным точкам, а затем используют для интерполяции высот произвольных точек области моделирования по их плановым координатам (TIN модель).

Вторая группа объединяет способы, основанные на построении геометрически упорядоченной (регулярной или нерегулярной) модели, элементами которой являются либо определенным образом упорядоченные линии, либо поверхности различных многогранников (треугольников, четырехугольников или иных фигур). Во втором случае поверхность задается точками в вершинах геометрических фигур (треугольников, квадратов и др.) исходя из предположения, что ограничиваемая ими поверхность имеет одинаковый и однообразный уклон.

1.1 Структурная модель местности TIN

Структурная модель местности представляется отметками точек, размещенных в характерных точках рельефа - на линиях водоразделов, тальвегов, урезов вод в точках локального экстремума и др. Такая модель наиболее точно отражает поверхность минимальным числом точек, однако ее использование затруднено из-за сложности интерполяции высот определяемых точек.

Цифровая модель рельефа на треугольниках произвольной формы (рисунок 1), покрывающих всю область моделирования, представляет рельеф наиболее точно, поскольку обеспечивает плотное "прилегание" треугольников к моделируемой поверхности. В силу этого такая модель применяется очень широко и известна как модель TIN (Triangulated Irregular Network), или модель па триангуляционной нерегулярной сетке, или свободная модель.

Построение цифровой модели рельефа с использованием модели данных TIN сводится к созданию оптимальной сети треугольников, элементы которой стремятся быть как можно ближе к равносторонним. При этом любая точка двумерного пространства обладает только одной высотной координатой.

Использование модели TIN для получения высот новых точек не совсем удобно, поскольку для этого необходимо не только определить принадлежность определяемой точки конкретному треугольнику, но и, что особенно важно, выполнить линейную интерполяцию высот по отметкам его вершин.

Преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней нет никаких преобразований исходных данных. С одной стороны, это не дает использовать такие модели для детального анализа, но, с другой стороны, исследователь всегда знает, что в этой модели нет никаких привнесенных ошибок, которыми грешат модели, полученные при использовании других методов интерполяции.

1.2 Цифровая модель местности DEM

Более популярна и удобна для практического использования модель на регулярной сетке со сторонами, параллельными координатным осям X и Y системы местности (рисунок 2). Такая модель называется регулярной, основана на интерполяции значений высот и известна как модель DEM (Digital Elevation Model). Регулярная ЦМР может быть рассчитана на любую область и может иметь любой размер, ограниченный только размером диска. Регулярную ЦМР можно представлять себе как бесконечную решетку, параллельную осям координат, к узлам которой приписаны значения высоты.

В общем случае при построении цифровой модели рельефа можно выделить несколько этапов:

)        Подготовка исходных данных;

2)      Выбор способа создания модели;

)        Подбор параметров для построения модели;

)        Непосредственно процесс создания модели.

Рисунок 1. Структурная модель TIN.

Рисунок 2. Структурная модель DEM.

Цифровые картографические материалы представлены в Сети в различных видах. Для целей компьютерного моделирования, моделирования в тренажерах и геологических исследований наибольший интерес все же представляет формат DEM - digital elevation modelling (что на русский обычно переводится как карта высот). Формат этот представляет собой матрицу, каждая точка которой характеризуется координатами (широтой и долготой) и высотой. На основе такой матрицы возможно построение карт в изолиниях высот (contour map), псевдотрехмерных теневых карт рельефа (shadow map) и трехмерных карт или блок-диаграмм (surface map). Следует заметить, что DEM формат существует минимум в двух разновидностях - USGS DEM а также GTOPO DEM, и совместимость прикладной программы, предназначенной для работы с одной из них, как правило не гарантирует такой же совместимости в другой.

В свободном доступе разномасштабные карты в текстовом DEM-формате и формате GeoTiff доступны на ряде сайтов, принадлежащих американским научным и правительственным организациям. Среди них: USGS - Геологическая служба Соединенных Штатов, HIMA (Национальное агентство образов и карт, принадлежащего Вооруженным Силам), NOAA National Data Centers, имеющие, как правило, зеркала на ряде других сайтов.

В GeoTIFF определено всего 6 кодов тегов TIFF, несмотря на обилие различных видов геопространственной информации. При разработке формата учитывалось, что общее количество тегов TIFF ограничено.

Коды тегов:

GeoKeyDirectoryTag

GeoAsciiParamsTag

ModelPixelScaleTag

ModelTransformationTag

ModelTiepointTag

Первый из перечисленных тегов является входным, то есть он содержит ссылки на любые другие теги GeoTIFF. Последние три тега задают трансформацию изображения, если оно не было заранее преобразовано в прямоугольную форму (например, в растрах, полученных при спутниковой съемке под большим углом).

По точности данных DEM карты высот можно разделить на следующие категории (см. таблица 1.)

Таблица 1. Точность карт высот, полученных различными способами.

2. Бикубическая интерполяция высотных данных

Из приведенной в предыдущем разделе информации очевидно, что полученные данные о высотах отдельных точек могут быть совершенно различными по точности представленного ими рельефа, и разница в точности может составлять порядка 100 метров, т.е. абсолютно различные по масштабу карты необходимо привязать к единому разрешению сетки земной поверхности. Иными словами возникает проблема интерполяции этих данных. Интерполяция в случае моделирования рельефа необходима для сглаживания земной поверхности и предотвращения появления различных артефактов, таких как неестественная угловатость поверхности, большая разница в направлении нормалей соседних полигонов, что приводит к некорректному затенению

Наилучшим образом для этой цели подойдет бикубическая интерполяция, применяемая как правило в 2D редакторах для изменения разрешения исходных изображений.

Бикубическая интерполяция - в вычислительной математике расширение кубической интерполяции на случай функции двух переменных, значения которой заданы на двумерной регулярной сетке. Поверхность, полученная в результате бикубической интерполяции является гладкой функцией, в отличие от поверхностей, полученных в результате билинейной интерполяции или интерполяции методом ближайшего соседа. Также бикубическая интерполяция часто используется в обработке изображений, давая более качественное изображение по сравнению с билинейной интерполяцией. В случае бикубической интерполяции значение функции в искомой точке вычисляется через ее значения в 16-ти соседних точках. При использовании приведённых ниже формул для программной реализации бикубической интерполяции следует помнить, что значения и являются относительными, а не абсолютными. Например, для пикселя с координатами. Для получения относительных значений координат необходимо округлить вещественные координаты вниз, и вычесть полученные числа из вещественных координат.

,

где

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

Подобным образом можно использовать и другие виды интерполяции, вычисляя значения функции по соседним точкам.

3. Техническое задание

3.1 Наименование программного изделия

"Программа моделирования рельефа и объектов местности для тренажерного комплекса".

3.2 Основание для разработки

Основанием для разработки является задание на дипломный проект.

3.3 Назначение и цель

3.3.1 Назначение

Назначением дипломного проекта является разработка программы, обеспечивающей возможность автоматизированного моделирования рельефа и объектов местности на основе цифровой модели рельефа DEM с использованием карт высот DEM и GeoTiff и топографических карт.

3.3.2 Цель разработки

Целью создания программного обеспечения является автоматизация моделирования рельефа местности, и расположенных на ней объектов на основе средств разработки Unity3D, предназначенных для создания интерактивных кроссплатформенных 3D приложений. Разработанные классы и объекты, интерфейс программного обеспечения должны реализовать набор функций для открытия топографической карты и ее 3D визуализации, а также интерактивной навигации в пространстве. Результатом разработки должно быть самостоятельное программное обеспечение для открытия топографических карт и карт высот.

3.3.3 Термины и определения

ЦМР - цифровая модель местности, представление поверхности планеты в упрощенном виде, как правило, с использование интерполяции.

DEM - сокр. от Digital Elevation Model - цифровая модель местности (рельефа)

TIN - сокр. от triangular irregular network - треугольная нерегулярная сетка- открытый формат метаданных, позволяющий включать информацию о географической привязке в файлы TIFF. Может включать в себя вид картографической проекции, систему географических координат и любую другую информацию, необходимую для точного пространственного ориентирования космического снимка. Формат GeoTIFF полностью совместим с форматом TIFF 6.0, поэтому программное обеспечение без поддержки GeoTIFF сможет открывать изображения

3.4 Технические требования к программе или программному изделию

3.4.1 Требования к функциональным характеристикам

Разработанное программное обеспечение должно выполнять следующие функции:

         Функционирование на операционных системах семейства Windows

-        Возможность использования существующих карт высот форматов DEM и GeoTiff

         Возможность открытия топографической карты в процессе работы приложения

         Обеспечить возможность визуализации местности как минимум 1км²

         Возможность изменения настроек качества отображения местности и ее детализации

         Обеспечить возможность интерполяции исходных данных топографической карты

         Обеспечить возможность симуляции погодных условий

3.4.2 Требования по надежности

Срок службы разработанного программного обеспечения не ограничен. Срок службы тренажерного комплекса зависит от аппаратной части.

3.4.3 Требования к условиям эксплуатации и аппаратным средствам

Требования к условиям эксплуатации данного программного обеспечения соответствуют требованиям, предъявляемым к условиям эксплуатации тренажерных комплексов и зависят от технических характеристик этого комплекса (Разрешения и размеров монитора/характеристик проектора, температурных ограничений и допустимой влажности для работы аппаратной части). При запуске программного обеспечения на персональном ПК требования следующие: помещение с температурой окружающей среды от 10 до 35 C^o, и относительной влажностью от 20 до 80%.

Состав аппаратных средств и минимальные системные требования:

-        Microsoft Windows XP SP2, Windows Vista, Windows 7, Windows 8 и более новые

-        Процессор: с частотой 1 ГГц и выше.

         Оперативная память: 256 мб

         Видеокарта: GeForse 6600 128 мб и выше.

3.4.4 Требования к программной и информационной совместимости

Разрабатываемое программное обеспечение должно быть совместимо с международными форматами карт высот DEM и GeoTiff. Допускается использование собственных форматов хранения прочей топографической информации.

3.4.5 Требования к документации

К программному изделию должны прилагаться следующие документы:

техническое описание;

3.4.6 Требования по эргономике и технической эстетике

·        взаимодействие программы и пользователя должно осуществляться на русском языке, за исключением системных сообщений, не подлежащих русификации;

·        при работе с интерфейсом пользователь должен быть ориентирован на работу с клавиатурой и манипулятором графической информации "мышь";

·        должно быть реализовано отображение на экране тех возможностей, которые необходимы пользователю в текущий момент времени;

·        представление управляющих элементов, экранных форм и их информационных элементов (окон, панелей и т.п.) должно быть унифицировано. Экранные формы должны полностью находиться в видимой площади экрана монитора с диагональю 17’ при разрешении экрана 1280 х 1024 и выше.

·        для разработки меню и вспомогательных элементов интерфейса необходимо использовать средства интерфейса Unity3D - GUI и его объекты и классы.

·        использование дополнительных диалогов (таких как открытие файла)

3.5 Стадии и этапы разработки

·        Техническое задание

·        Техническое предложение

·        Эскизное проектирование

·        Техническое проектирование

·        Рабочая документация

Заключение

В ходе прохождения преддипломной практики были получены основные сведения по существующим моделям представления местности и выбран формат, отвечающий требованиям по скорости обработки и приемлемой точности данных. Для моделирования рельефа принято решение использовать формат данных DEM и совместимый с ним, но более быстрый в обработке формат GeoTiff.

Исходные данные растровой карты высот необходимо интерполировать и ресемплировать, для чего принято решение использовать бикубическую интерполяцию.

Было разработано техническое задание на дипломный проект на тему: "Разработка программного обеспечения моделирования рельефа и объектов местности для тренажерных комплексов на основе топографических карт"

Список используемой литературы

1.      Варфоломеев И.В., Ермакова И.Г., Савельев А.С. Алгоритмы и структуры данных геоинформационных систем, Красноярск: КГТУ, 2003, 34 с.

2.      MSDN. [Электронный ресурс]. URL: http://msdn. microsoft.com/ru-ru/ <http://msdn.microsoft.com/ru-ru/>

3.      Карли Уотсон, Кристиан Нейгел, Якоб Хаммер Педерсен, Джон Д. Рид, Морган Скиннер. Visual C# 2010. Полный курс. Пер. с англ.Я. Волкова, Ю. Корниенко, А. Моргунова, Н. Мухина. Изд. Вильямс, 960 стр.

4.      Gis-Lab. [Электронный ресурс]. URL: http://gis-lab. info/ <http://gis-lab.info/>

5.      Сообщество разработчиков Unity 3D [Электронный ресурс]. URL: http://udn. unity3d.com/ <http://udn.unity3d.com/>

.        Sue Blackman, Beginning 3D Game Development with Unity, Изд. Apress, 2011, 992 стр.