№7, 2002 г.
№7, 2002 г.
© А.М. Берлянт
Виртуальное картографирование
А.М. Берлянт
Александр Михайлович Берлянт, доктор географических наук, профессор,
заведующий кафедрой картографии и геоинформатики МГУ им.М.В.Ломоносова.В последние несколько лет в компьютерной картографии начало формироваться новое направление - виртуальное моделирование и картографирование. Английское слово “virtual” означает фактический, действительный, в смысле, близком к слову “реальный”. В науке и технике, философии и логике этот термин имеет и другие смысловые оттенки - возможный, потенциальный; не существующий, но способный возникнуть при определенных условиях; временный, или непродолжительно существующий; не реальный, но практически неотличимый от реального.
В технической практике виртуальная реальность рассматривается как искусственный мир, созданный компьютером, в который человек может погружаться и с которым может взаимодействовать. Для этого созданы особые шлемы-дисплеи, позволяющие видеть эту “параллельную реальность” стереоскопически и даже фиксировать состояние и реакции наблюдателя. Разработаны различные тренажеры и манипуляторы (например, специальные перчатки), с помощью которых можно “брать в руки” искусственно созданные объекты и управлять их положением, передавая на монитор импульсы от движения рук и пальцев.
В современной компьютерной картографии виртуальная реальность предстает как некое искусственное построение, модель реального или абстрактного объекта или ситуации, которая существует в программно управляемой среде. С ними можно взаимодействовать - управлять ими, решать какие-то задачи и принимать решения - с помощью определенных программ. Всякое геоизображение предстает в графической образной форме, имеет проекцию, масштаб и обладает генерализованностью [1]. Сам процесс создания таких изображений называют виртуальным моделированием (иногда как синоним употребляют термин “виртуальное картографирование”).
Визуализация виртуальной реальности опирается прежде всего на применение эффектов трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия и перемещения в объемном пространстве. При этом реализуются четыре главных свойства:
- сочетание в одном геоизображении свойств карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и анимации;Создание виртуальных карт- возможность программного управления этим синтезированным геоизображением;
- интерактивное взаимодействие с самим геоизображением и окружающей его виртуальной средой;
- уменьшение свойств знаковости и условности геоизображения, придание ему реалистических черт.
Как создают такие карты? Вначале по топографическим картам, аэро- или космическим снимкам создают цифровую модель рельефа, т.е. изображение рельефа, построенное по значениям высот, обычно расположенным в узлах регулярной сетки. Затем на эту рельефную блок-диаграмму накладывают предварительно откорректированное фотоизображение местности, полученное в результате дистанционной съемки [2].
Далее на построенную фото-блок-диаграмму наносят тематическое содержание (знаковую нагрузку), надписи, выполняют цветовое оформление и редактируют все изображение.
Следующий этап - определение узловых сцен (кадров) и выбор траектории движения или вращения модели. При этом компьютерная программа рассчитывает промежуточные кадры и запускает анимацию. После этого можно сформировать внешние эффекты окружающей среды (солнечное освещение, туман, дождь и т.п.) и создать средства интерактивного взаимодействия с ними, добавить звуковое сопровождение, например шум дождя, плеск прибоя и др. Отдельные операции этого алгоритма, такие как нанесение дополнительных объектов, выбор состояния окружающей среды, внесение мультимедийных эффектов могут быть пропущены, другие добавлены, например расчет распределения теней в городе или в горах.
Построение фото-блок-диаграммы [2].
Вверху - космический снимок одного из районов Франции (окрестности Альбервиля),
в середине - цифровая блок-диаграмма рельефа того же района,
внизу - блок-диаграмма с “натянутым” на нее фотоизображением.Таким образом, виртуальное геоизображение включает изображение самого объекта, окружающей его виртуальной среды, а также средства взаимодействия их между собой и с наблюдателем (пользователем), который получает возможность интерактивно управлять и объектом, и средой. Соответственно система виртуального моделирования содержит три подсистемы: формирования виртуальной модели; управления средой и изменения ее параметров; внесения из базы данных дополнительной информации, новых, в том числе абстрактных объектов.
Анимации
В технологиях виртуального моделирования большую роль играет анимационное картографирование, которое представляет собой одну из ветвей оперативного компьютерного картографирования. Речь идет о создании и анализе карт в реальном, или близком к реальному времени. Прообраз анимации - традиционные карты динамики, на которых фиксируются состояния объектов в разные моменты времени. Серии таких карт показывают последовательность смены ситуаций, подобно тому как это происходит в мультфильме. Собственно говоря, анимации - это современный компьютерный этап развития мультипликаций. И если раньше сотни мультипликационных кадров рисовали вручную, то теперь анимации создают при помощи специальных компьютерных программ, которые “оживляют” изображение (отсюда и само слово “анимация”), заставляют его перемещаться, изменять ракурсы, форму, окраску и т.п.
Анимации применяли вначале для слежения за быстро меняющимися событиями и явлениями (например, за наводнениями или лесными пожарами), для мониторинга и оценки сельскохозяйственных посевов, этапов их развития, созревания. Потом их стали использовать для визуализации медленно протекающих процессов, таких как меандрирование рек, и даже для палеогеографических реконструкций, например моделирования раскола праматерика Гондвана и перемещения континентов.
Серия компьютерных карт распределения снежного покрова
на территории Европейской равнины
(с октября по май), представленная в виде анимации [3].Так, на серии анимационных карт-кадров были прослежены становление и сход снежного покрова на Европейской равнине [3]. В северо-восточных районах снег ложится уже в конце октября, максимальная его толщина наблюдается на Северном Урале, оставаясь такой в течение всего зимнего периода. В ноябре появляются локальные максимумы в верховьях Дона и к востоку от Онежского озера. В декабре устойчивый покров формируется на всей территории, за исключением Северного Кавказа. В январе картина распределения снежного покрова складывается окончательно. Таяние начинается в феврале-марте, а к апрелю граница снежного покрова смещается к 60°с.ш. В конце мая снег остается только на Полярном Урале.
Анимационная последовательность среднемесячных температур у поверхности воды,
составленная с помощью географической информационной системы “Черное море” [4].Еще один пример - моделирование быстро меняющихся гидрофизических параметров морей и океанов. C помощью географической информационной системы “Черное море” [4] была представлена динамическая последовательность карт изменения температуры воздуха в пределах акватории Черного моря. Анимационный модуль этой системы способен создавать аналогичные последовательности не только для температур, но для осадков и ветров. Анимации можно запускать в прямом и обратном порядке, меняя при этом скорость демонстрации, а кроме того интерполировать значения избранного показателя и строить карту-кадр на любую заданную дату.
Современные компьютерные программы содержат наборы модулей, обеспечивающих самые разные варианты и комбинации анимаций:
- перемещение всего картографического изображения по экрану;Многие из этих эффектов можно ежедневно видеть на экране телевизора, когда рельефная карта России наплывает на зрителя и медленно поворачивается перед ним, по ней движутся циклоны и антициклоны, “ползут” линии атмосферных фронтов, а из значка облачности идет дождь или выглядывает солнце. Сложные компьютерные анимации понятны каждому зрителю, можно сказать, что эти технологии уже вошли в повседневный быт. Вот только прогнозы не всегда оправдываются.- мультипликационный показ последовательности карт-кадров или блок-диаграмм;
- изменение скорости демонстрации, покадровый просмотр, возврат к избранному кадру, обратная последовательность;
- перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте;
- изменение отдельных элементов карты, их размеров, формы, ориентации и др.;
- мигание знаков, варьирование окраски, изменение ее интенсивности, создание эффекта вибрации цвета;
- изменение освещенности или фона, “подсвечивание” и затенение отдельных участков карты;
- панорамирование, изменение проекции и перспективы (точки обзора, ракурса, наклона), вращение блок-диаграмм;
- варьирование масштабом изображения или его части, использование эффекта наплыва или удаления объекта;
- создание эффекта движения над картой (облет территории), в том числе с разной скоростью.
Виртуальный облет горы Худ, штат Орегон, США [5].
Кадры 16-секундной компьютерной анимации.
На каждом из восьми кадров отмечены секунды виртуального полета.На одном из рисунков показаны восемь кадров 16-секундной анимации, воспроизводящей “облет” вулканической горы Худ в штате Орегон (США). Во время этого краткого полета гора видна под разными ракурсами и с разной удаленностью от наблюдателя [5].
Тот факт, что анимации можно демонстрировать с нормальной, ускоренной или замедленной скоростью, ставит новые и пока еще непривычные проблемы. Одна из них - введение временного масштаба. Можно, например, говорить о медленно-, средне- и быстромасштабных изображениях, приняв, например, следующие соотношения: 1:86 000 (одна секунда демонстрации анимационной карты соответствует округленно одним суткам); 1:600 000 (в одной секунде - одна неделя); 1:2 500 000 (в одной секунде - один месяц); 1:31 500 000 (в одной секунде - один год).
Звуковые эффекты
При виртуальном моделировании широко используют звуковое сопровождение, прежде всего для “пояснения” изображенных объектов: при указании на них курсором слышится звуковая подсказка, звучит название объекта или его словесная характеристика.
Особые программные модули дают возможность воспроизводить реальные звуки, например, журчание ручья, шелест леса, и это создает иллюзию присутствия на местности. Можно еще более усилить восприятие состояния окружающей среды, воссоздавая шум дождя, раскаты грома, грохот извержения вулкана и т.п.
Еще одно направление использования звуковых эффектов - характеристика качества карты. Так, при приближении курсора к участкам изображения, слабо обеспеченным данными или имеющим недостаточную точность, усиливается шум, символизирующий наличие помех.
Электронные технологии позволяют добавить к традиционно используемым в картографии графическим средствам еще и варьирование характера звука, его громкости, высоты, продолжительности. Проводятся десятки экспериментов, чтобы определить, каковы правила применения звуковых средств при виртуальном картографировании, как должны сочетаться анимация и звук. Ясно, например, что изображение дождя требует введения его шума.
Таким образом, речь идет об использовании в картографии средств мультимедиа, т.е. многосредных технологий, в которых сочетаются видеоизображения (карты, снимки, фотографии), анимации, звуки и, конечно, тексты. Необходимость сочетания разных документов хорошо известна из прошлого, докомпьютерного опыта: достаточно вспомнить, что обычные школьные и особенно краеведческие атласы всегда содержали карты, тексты, диаграммы, снимки, рисунки и фотографии. Теперь все это еще и движется, и звучит. Применение мультимедийных программ при виртуальном картографировании ведет к созданию синтетических произведений, которые содержат видео- и аудиосредства не только для показа самих картографируемых объектов, но и окружающей среды.
Взаимодействие с виртуальными моделями
Создатели виртуальных геоизображений особенно подчеркивают возможность человека погружаться в виртуальную реальность и контактировать с моделью. Хорошим примером может служить технология “Виртуальные границы”, разработанная одной из фирм [6]. Она позволяет не только конструировать виртуальные модели, но летать над ними. Программа содержит шесть модулей:
Первый - управление полетом - обеспечивает следование по избранному направлению, повороты и развороты, изменение скорости полета, показ перспективы и обычной карты, на которую по мере движения наносится маршрут;
Второй - точность навигации - позволяет с помощью мыши, клавиатуры и джойстика (манипулятора) выполнять контроль полета на заданной высоте, с заданной скоростью, над точками с заранее избранными координатами (широтой и долготой), точно выдерживать высоту относительно уровня моря или рельефа местности;
Третий - редактирование маршрута - обеспечивает диалоговую прокладку полета, построение трассы маршрута по заданным цифровым координатам Х, Y, Z , слежение за линией полета и его отображение на блок-диаграмме, которая выводится на экран в отдельном окне;
Четвертый - установка состояния окружающей среды - позволяет выбрать вид земного покрова, степень детализации объектов на местности, установить преувеличение вертикального масштаба модели относительно горизонтального, выбрать состояние неба (облачность, туман), угол и интенсивность освещения, время дня;
Пятый - редактирование объектов - осуществляет размещение и изменение текстуры трехмерных объектов на фоне местности, расположение надписей (размер и цвет шрифтов, поворот надписей), добавление текстов, звука, снимков;
Наконец, шестой - тематическое картографирование - запуск картографической программы, связь с таблицами и другими данными, выбор линий, точек и их характеристик, нанесение дополнительных объектов, использование цветных сеток, подложек и других элементов дизайна.
На моделях гор можно видеть, как при виртуальном облете они поворачиваются к наблюдателю разными сторонами. Пользователь может уменьшить скорость, снизиться над ними и разглядеть ландшафт подробнее. Впечатление реальной ситуации усиливается еще и такой деталью: небольшой катер медленно плывет по глади озера.
Виртуальное изображение горы Куин-Бесс, Береговой хребет, Канада [6].
Внизу - два окна модуля:
“Редактирование полета” с картой, где отмечен маршрут, и
“Состояние окружающей среды”, с помощью которого
устанавливаются облачность, туман и земной покров.По описанной методике получают крупномасштабные и довольно подробные виртуальные изображения рельефа и ландшафта, геологического строения, водных объектов, растительного покрова, городов, путей сообщения и т.п. Возможность интеграции разной тематической информации в одной модели - одно из главных достоинств виртуального геоизображения. Пролетая и зависая над горными склонами, можно их детально рассмотреть, провести морфометрические измерения, определить характер эрозии и оползневых процессов, а двигаясь над виртуальным городом, - оценить особенности застройки и распределение зеленых массивов, спроектировать размещение новых зданий и транспортных магистралей.
Разработка компьютерных технологий в настоящее время ориентирована главным образом на решение практических задач, таких, например, как мониторинг районов природного риска, строительство зданий и автострад, прокладка трубопроводов, оценка загрязнения среды и распространения шумов от аэропортов и т.п. Вполне возможно создание средне- и мелкомасштабных виртуальных геоизображений, показывающих, скажем, природную зональность земного шара, ход климатических процессов, сезонные изменения растительного покрова и ландшафта, миграции населения, движение транспортных потоков и т.д. Сюжеты виртуальных тематических карт столь же разнообразны, как и в традиционном картографировании. Известны даже примеры виртуальных тематических глобусов.
Виртуальные геоизображения в обучении
Безусловно, самая обширная область применения виртуальных геоизображений - обучение на всех уровнях, от начального до высшего. Школьники прекрасно подготовлены к этому благодаря широко распространенным компьютерным играм, которые увлекают их в мир виртуальной реальности. Погони по головоломным лабиринтам, войны в космическом пространстве, автогонки по пересеченной местности - дети самых разных возрастов легко осваивают эти и многие другие электронные развлечения. Индустрия компьютерных игр приносит высокие прибыли. Виртуальная реальность, в том числе геоизображения (карты и глобусы), нашла применение и в тренажерах, используемых для подготовки летчиков и космонавтов.
Специальные психологические исследования [7] показывают, что компьютерные игры активно развивают навыки восприятия пространства, умение быстро ориентироваться на местности и принимать решения в незнакомой обстановке, оценивать размеры объектов и расстояния между ними.
У виртуальных геоизображений кроме перечисленных имеется еще несколько достоинств. Прежде всего, это полная иллюзия полевого наблюдения, возможность определения абсолютных и относительных высот, расстояний и длин, площадей, углов наклона, причем сразу с получением цифровых значений; развитие навыков активного обучения и самообучения, высокий уровень интерактивности (обратная связь в системе человек-геоизображение и развитие коммуникативных навыков).
Очевидно, программно управляемые виртуальные геоизображения в самое ближайшее время станут одним из наиболее доступных и эффективных пособий при изучении географии и других наук о Земле. Еще раз напомним, что нет глубокой пропасти между динамическими картами и картографическими анимациями, что традиционное создание атласов находит прямое продолжение в современных мультимедийных технологиях, а компьютерные модели с элементами виртуальной реальности стали повседневной и вполне привычной телевизионной картинкой.
Поэтому необходимо специальное изучение психофизических особенностей восприятия компьютерных геоизображений. В частности, нужно изучить эффекты использования разных масштабов (вертикального и горизонтального), особенностей применения разных цветовых шкал, фонов, равномерности освещения по экрану и т.п. Важно также оценить минимальную различимость деталей изображения, целесообразность сочетания виртуального изображения и условных знаков, установить правила размещения надписей и виды шрифтов. Нужно также оценить оптимальную скорость анимации, высоту полета над местностью, геометрические искажения, возникающие при разных перспективах.
Таким образом, предстоит решить множество новых проблем, связанных с проектированием, составлением, генерализацией и графическим оформлением виртуальных геоизображений. Для этого потребуется множество экспериментов с применением известных в картографии методик тестирования и совсем новых, имеющих отношение, например, к офтальмологии, психофизике и теории отражения.
Путь внедрения этих новшеств в образование не прост. Нужна новая техника, современное программное обеспечение. Но главное - все это должно быть понятно ученикам. Думается, не стоит и преувеличивать трудности, сегодняшние школьники легко осваивают головоломные компьютерные игры, мало доступные взрослым, получившим образование в докомпьютерную эпоху. Будем помнить, сколь краток в масштабах истории оказался путь от перышка чертежника до курсора, которым манипулирует современный картограф.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 99-05-64866.
Литература
1. Берлянт А.М. Виртуальные геоизображения. М., 2001.
2. Грело Ж.-Ф. // Курьер ЮНЕСКО. 1991, август. С.10-11.
3. Берлянт А.М., Ушакова Л.А. Картографические анимации. М., 2000.
4. Аляутдинов А.Р., Берлянт А.М., Калинкин И.В. и др. ГИС “Черное море”. М., 1999.
5. Harder C. Serving Maps on the Internet: Geographic Information on the World Wide Web. N.Y., 1999.
6. Virtual Frontier. Promo CD // NorthWood Geosience Ltd., 1999 Klondike Software Inc.
7. Маслов О.Р., Пронина Е.Е. // Прикл. психология. 1998. №6. С.41-49.
