Интерактивная визуализация 3D-данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.01.01, кандидат наук Бобков, Александр Евгеньевич

• Бобков, Александр Евгеньевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Бобков, Александр Евгеньевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Методы построения и визуализации виртуальных глобусов

1.1. Прошлое и настоящее виртуальных глобусов

1.2. Обзор программных решений и открытых стандартов

1.3. Генерация рельефа для виртуальных глобусов

1.4. Выводы по 1 главе

ГЛАВА 2. Визуализация виртуального глобуса

2.1. Варианты отображения виртуального глобуса

2.2. Полупрозрачная поверхность глобуса

2.3. Применимость для подземных объектов

2.4. Выводы по 2 главе

ГЛАВА 3. Визуализация данных на виртуальном глобусе

3.1. Облака точек

3.2. Объемные данные

3.3. Выводы по 3 главе

ГЛАВА 4. Описание программного комплекса

4.1. Программный комплекс

4.2. Стереоскопическая визуализация

4.3. Навигация и взаимодействие

4.4. Выводы по 4 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

!

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Источники геоданных

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Шейдеры для объемной визуализации

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет стереоэффекта

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Аппаратное обеспечение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интерактивная визуализация 3D-данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах»

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы

Развитие виртуальных глобусов началось около 10 лет назад. Под виртуальным глобусом понимается трехмерная модель планеты Земля, воссозданная с определенной точностью по спутниковым данным, с интерактивным программным обеспечением, которое позволяет работать с трехмерной моделью Земли, рассматривать её на любых масштабах и визуализировать данные (объекты, модели) с привязкой к географическим координатам. Первые глобусы позволяли просматривать

высокодетализированные спутниковые снимки, наложенные на трехмерный рельеф. Последние годы растет интерес к использованию виртуальных глобусов для более практических задач визуализации и анализа различных типов данных на глобусе. Во-первых, появились спутниковые данные высокого разрешения, цифровая модель рельефа почти всей Земли в свободном доступе (8ЯТМ). Во-вторых, широкое распространение получил интернет, что позволило хранить большие объемы спутниковых данных на удаленных серверах. Видеокарты позволили интерактивно отображать трехмерный рельеф,

высокодетализированную спутниковую подложку и дополнительные эффекты вроде атмосферного рассеяния. Основные области применения: геоинформационные системы (ГИС), системы автоматизированного проектирования и исследования процессов, компьютерные игры и т.п.

Таким образом, в настоящее время виртуальный глобус является мощным инструментом для специалистов разных областей, которым требуется визуализация данных в географическом контексте. Виртуальный глобус может стать единой платформой для визуализации всех типов данных с географической привязкой. Для этого необходимо разрабатывать методы визуализации указанных данных, методы взаимодействия и управления данными в трехмерном пространстве.

В отечественной науке существенный вклад в развитие теоретических основ и практических решений в области геометрического моделирования и визуализации внесен научными школами Бондарева А.Е., Васина Ю.Г., Галактионова В.А., Дебелова ВА., Денискина Ю.И., Долговесова Б.С., Желтова С.Ю., Журкина И.Г., Кеткова Ю.Л., Кучуганова В.Н., Никитина И.Н., Роткова С.И., Сурина А.И., Толока A.B., Турлапова В.Е., Утробина В.А. и ряда других исследователей.

Актуальность работы обусловлена тем, что, не смотря на существование в настоящее время большого количество реализаций различных алгоритмов генерации и визуализации виртуального глобуса (включая атмосферу), визуализации ЗБ-данных на глобусе (ЗБ-модели, векторные наложения на рельеф) и др., пока остаются нерешёнными задачи визуализации полупрозрачной поверхности на глобусе, визуализации облаков точек и объемных данных на глобусе, необходимые для создания программных систем визуализации научных данных (в частности, подземных геофизических данных), данных лазерного сканирования и других видов данных, которые появляются в настоящее время как следствие использования новых методов и аппаратуры зондирования.

Цель диссертационной работы состоит в создании алгоритмического и программного обеспечения формирования и визуализации пространственной географической информации.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать способ визуализации глобуса с полупрозрачной поверхностью с возможностью как надземного, так и подземного просмотра;

• разработать алгоритмы визуализации облаков точек и объемных данных с учетом особенностей виртуального глобуса и виртуального окружения;

• разработать программный комплекс для стереоскопической визуализации данных на виртуальном глобусе, проектирования, конструирования в общегеографическом контексте.

Научная новизна:

1. Разработан новый способ визуализации виртуального глобуса, который позволяет, благодаря полупрозрачной поверхности, визуализировать ЗБ-объекты под поверхностью глобуса и обеспечить отсутствие графических артефактов, связанных с полупрозрачностью, и возможность как надземного, так и подземного просмотра.

2. Разработан новый алгоритм визуализации облаков точек, характерной особенность которого является использование географических координат, возможность работы с облаками точек любого размера и динамическая фильтрация точек на графическом процессоре по заданным критериям.

3. Разработан новый алгоритм визуализации объемных данных на виртуальном глобусе, который работает с данными в географической системе координат и при визуализации учитывает форму глобуса.

Практическая значимость.

Результаты работы были использованы для создания интерактивного научно-популярного приложения «Виртуальная Долина гейзеров», которое было внедрено и используется в музее Кроноцкого государственного природного биосферного заповедника.

Результаты работы были использованы для реалистичной визуализации горнолыжных трасс для горнолыжного тренажера в Московском физико-техническом институте. Диссертант является соавтором статьи по горнолыжному тренажеру, которая была доложена на конференции Cyberworlds 2011 и получила награду Best Paper Award.

Результаты работы также внедрены в Институте проблем безопасного развития атомной энергетики Российской академии наук, Всероссийском научно-исследовательском институте по эксплуатации атомных электростанций, Институте истории естествознания и техники Российской академии наук, Институте физико-технической информатики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ визуализации виртуального глобуса с полупрозрачной поверхностью рельефа, который обеспечивает как надземный, так и подземный просмотр геометрических объектов под поверхностью глобуса и устраняет графические артефакты, вызванные перекрытием слоев рельефа и вспомогательной геометрии.

2. Алгоритм визуализации облаков точек на глобусе с уровнями детализации, учетом формы глобуса, контролем плотности точек на экране и фильтрации по заданным критериям на графическом процессоре.

3. Алгоритм визуализации объемных данных, заданных в географической системе координат и учитывающий форму глобуса.

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается корректным применением аппарата компьютерной геометрии и графики, подтверждена экспериментальным тестированием алгоритмов и программ, результатами опытной эксплуатации разработанных программных средств.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: международных конференциях MEDIAS 2010, MEDIAS 2011, MEDIAS 2012 (2010 г., 2012 г., г. Лимассол, Республика Кипр), Графикон 2010 (2010 г., г. Санкт-Петербург), Графикон 2012 (2012 г., г. Москва), «Ситуационные центры и информационно-аналитические системы класса 4i» (2011 г., г. Москва), на 53-й научной конференции МФТИ (2010 г., г. Долгопрудный), на 54-й научной конференции МФТИ (2011 г., г. Долгопрудный), на 3-й научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России» (2011 г., г. Петропавловск-Камчатский).

Результаты работы демонстрируются посетителям Постоянно действующей выставки достижений РАН. В августе 2012 результаты работы были представлены участникам 33-й Генеральной ассамблеи Европейской сейсмологической комиссии и были высоко оценены ими.

Работа велась в том числе в рамках грантов РФФИ 12-07-31043 мол_а, 10-07-00407-а.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 12 научных работах, 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, словаря терминов, библиографии и 4 приложений. Общий объем диссертации 143 страницы, из них 113 страницы текста, включая 70 рисунков. Библиография включает 144 наименований на 12 страницах.

ГЛАВА 1. Методы построения и визуализации виртуальных

глобусов

1.1. Прошлое и настоящее виртуальных глобусов

1.1.1. Географическая визуализация до виртуальных глобусов

Одно из самых важных применений виртуальных глобусов — это географическая визуализация. В статье [13] приводится определение географической визуализации: это применение графического представления данных для облегчения пространственного понимания вещей, понятий, условий, процессов и событий в человеческом мире.

Считается, что одним из первых случаев применения географической визуализации является «холерная карта» Джона Сноу (рис. 1.1). В 1854 Сноу обозначил на карте Лондона случаи заражения холерой и отметил все водяные насосы для подачи питьевой воды. Большинство случаев заражения концентрировались вокруг одного насоса. Сноу использовал карту для подтверждения свой теории, что источником заражения является этот насос [14].

В результате роста научного знания к середине 2 Ого века появилось множество теорий, описывающих геопространственные процессы (геологические, климатические, экономические и антропологические теории), результаты которых необходимо было отображать на географических картах.

В начале 1960-х годов развитие компьютеров привело к появлению первых геоинформационных систем (ГИС) [15].

ГИС — это система для сбора, хранения, анализа и визуализации геопространственных данных и связанных с ними атрибутов. ГИС развивают идею Джона Сноу по наложению на географические карты дополнительных слоев данных с целью их учета и анализа. Первые ГИС развивались с государственной поддержкой (ГИС Канады) и использовались для городского планирования, переписи населения [16].

В начале 1980-х годов начали появляться коммерческие ГИС. Одна из самых известных компаний-разработчиков ГИС ESRI выпустила свой продукт ARC/INFO в 1982 г. ГИС стали доступны широкому кругу пользователей и превратились в мощный инструмент для работы с картографическими данными и тематическими геоданными [17].

Постепенно стал доступен сетевой доступ к данным, а с развитием высокоскоростного интернета стал распространяться способ работы с ГИС через тонкие клиенты (браузеры). В настоящее время карты уже не являются статическими, а генерируются в процессе работы на основе информации из базы данных по запросу пользователя. Возможно динамические объединение информации из разных источников, разных сайтов, встраивание картографических сервисов на любой сайт.

Параллельно с развитием классических 2D ГИС в 1990-х годах возникает концепция 3D ГИС [18]. 3D ГИС позволяет изучать трехмерный рельеф с любых

точек зрения, городские сооружения и инфраструктуру, визуализировать проектируемые здания, планировать развитие территорий, производить оценку высотных характеристик, области видимости, проводить визуальный анализ.

Однако внедрение ЗБ ГИС идет медленно. В работе [19] перечисляются основные причины этого:

• организация 3О-данных. Существуют разные методы представления ЗБ-моделей. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Не ясно, в каком виде хранить модели в базах данных предпочтительнее и как конвертировать между разными представлениями;

• реконструкция ЗБ-объектов. ЗБ ГИС должны иметь возможность просмотра моделей реальных объектов. Для этого необходимо выполнить их ЗБ-реконструкцию. Быстрые методы реконструкции выдают грубые и не точные модели. Более детальные модели выполняются вручную или полуавтоматически и требуют много времени. Реконструкция большого числа объектов (ЗБ-городов) — крайне затратная операция;

• ЗБ-визуализация. Для реалистичной визуализации ЗБ-объектов необходимо решить ряд задач: разработать алгоритмы освещения, затенения, анимации объектов, поддержать уровни детализации, туман, навигацию по трехмерной сцене, взаимодействие с ЗБ-объектами. При этом технологии постоянно развиваются и усложняются, растут требования к реалистичности.

В нескольких регионах России в 2010-2012 гг. начались пилотные проекты по внедрению ЗБ ГИС [20-22]. Виртуальные глобусы — это дальнейшее логическое развитие идеи ЗБ ГИС.

1.1.2. Первые виртуальные глобусы

В работе с 2Б- и ЗБ-представлением геоданных существует большая разница. Для 2Б-данных (как растровых, так и векторных) давно разработаны алгоритмы визуализации, анализа, хранения, используются стандартные форматы и множество программных продуктов для разных задач.

Рис. 1.2. Виртуальный глобус в игре Х-СОМ: UFO Defense (1994 г.)

Но для визуализации виртуального глобуса необходимы трехмерная графика и большие объемы данных, а главным требованием является интерактивная частота кадров (не менее 30 кадров в секунду). При этом не существует общепринятых стандартов к работе с данными на виртуальном глобусе, к навигации в пространстве виртуального глобуса. Всё это замедляет внедрение виртуальных глобусов для решения практических задач.

В 80-е годы и начале 90-х годов основным ограничителем являлась мощность видеокарт. Глобусы использовались для показа простейших векторных данных, таких как границы континентов и государств, орбиты космических аппаратов (рис. 1.2).

В 90-е годы мощность персональных компьютеров позволила использовать более детализированные текстуры земной поверхности. В конце 90-х годов появились такие продукты как Encarta Virtual Globe компании Microsoft (1998 г.) и 3D World Atlas компании Cosmi Corporation (1999 г.) (рис. 1.3). Это были мультимедийные приложения, где глобус сочетался с разнообразной энциклопедической информации о странах мира. Разрешение текстур было невысоким, поэтому они помещались на обычные CD-диски [23, 24].

mm

Çtob« j sa,» I tnfo i Chart» i

Рис. 1.3. 3D World Atlas (1999 г.)

Параллельно с этим в 90-е годы была заложена идеологическая основа виртуальных глобусов. Так в 1992 году вышел роман Нила Стивенсона «Лавина» в жанре киберпанк, в котором было описано приложение «Земля» для доступа к разнообразным данным. Впоследствии роман оказал влияние на создателей виртуального глобуса Google Earth [25].

31 января 1998 г. вице-президент США Альберт Гор произнес речь «Цифровая Земля: понимание нашей планеты в XXI веке», в которой он предложил создать «Цифровую Землю» — приложение, которое должно включать все увеличивающее количество геоданных, быть подсоединено к базам данных и знаний всего мира и обеспечить лучшее описание и понимание окружающего мира и человеческой деятельности [26].

В конце 90-х — начале 2000-х гг. произошел перелом в развитии

д

виртуальных глобусов. Это связано со следующими факторами.

Частные компании, такие как GeoEye и Digital Globe, начали запускать спутники дистанционного зондирования для получения снимков высокого разрешения (до 0,5 метра) [27, 28]. NASA запустило миссию SRTM по созданию общедоступной цифровой модели рельефа для всей Земли [29].

Полученные со спутников данные имеют огромные размеры. Можно грубо сделать следующую оценку: для хранения текстуры всей Земли с разрешением 0.5м/пк нужно 11 петабайт. Даже если выкинуть все моря, океаны, пустыни и

полюса, всё равно остаётся внушительное число. На CD-диск эти текстуры уже не поместятся.

В это же самое время появился высокоскоростной доступ к интернету. Возникла идея размещать геоданные на серверах в интернете, а на компьютеры пользователей устанавливать клиентское программное обеспечение (ПО), которое должно скачивать изображения только той части поверхности Земли, которая нужна пользователю.

Также в это время рост рынка компьютерных игр привел к жесткой конкуренции между производителями видеокарт. Слабые игроки были либо вытеснены с рынка, либо куплены более сильными игроками. В начале 2000-х годов остались две основные компании: NVIDIA и ATI (позже перешла под контроль AMD). Конкуренция привела к быстрому развитию видеокарт и переносу графических вычислений на графический процессор [30]. Это развитие позволило интерактивно визуализировать на экране компьютера модель глобуса с текстурами и рельефом высокого разрешения и различными эффектами.

Таким образом, указанные 3 фактора (появление данных ДЗЗ высокого разрешения, развитие интернета и видеокарт) стали толчком для появления виртуальных глобусов нового поколения и роста интереса к глобусам в мире.

Компания Keyhole одной из первых начала развивать свой продукт в 2001 году на базе этой идеи. Впоследствии она была куплена компанией Google. Переименованный в Google Earth продукт вышел в 2005 году для свободного использования [31]. Параллельно NASA выпустила свой продукт World Wind в 2004 году и Microsoft выпустила Virtual Earth (ныне Bing Maps 3D) в 2006 году.

Google Earth стал по-настоящему массовым продуктом и популяризовал идею виртуальных глобусов [32]. Разработчики ГИС также стали внедрять у себя возможность просмотра геопространственных данных на глобусе (ArcGIS, gvSIG). Учёные начали публиковать свои данные в открытом формате KML для просмотра результатов на глобусе.

Далее рассмотрим более подробно глобусы Google Earth и NASA World

Wind.

1.1.3. Google Earth

Google Earth — виртуальный глобус компании Google, который был куплен у компании Keyhole (рис. 1.4). GE — бесплатен для некоммерческого использования, но имеет закрытый исходный код. Также имеются платная версия с расширенным функционалом. GE поддерживает операционные системы Windows, Linux, Mac OS X, iOS и Android [33].

В GE используются коммерческие спутниковые и аэрофотоснимки высокого разрешения до 0.15м/пк. Также возможен просмотр исторических снимков.

Рис. 1.4. Виртуальный глобус Google Earth

GE позволяет просматривать также карту звездного неба и снимки Луны и Марса. Имеется встроенный авиасимулятор. GE позволяет просмотр пользовательских геоданных в формате KML: векторные данные, растровые данные и ЗО-модели. Также GE позволяет добавление и редактирование собственных данных и сохранение их в формате KML. Имеется множество встроенных слоев данных: ЗО-здания, границы государств, названия географических объектов, дороги, фотографии разных мест.

1.1.4. NASA World Wind

NASA World Wind — это виртуальный глобус, разрабатываемый NASA и сообществом открытого программного обеспечения (рис. 1.5). Он позволяет просматривать спутниковые снимки Земли, Луны, Марса, Юпитера, некоторых его спутников и карту звёздного неба [34].

Рис.

Основные отличия от Google Earth: полностью бесплатен, в том числе для коммерческого использования; имеет открытый исходный код, который можно использовать для создания своих приложений на базе WW; использует бесплатные снимки Земли: на мелких масштабах — В lue Marble NG, на крупных масштабах — Landsat 7, но при этом позволяет брать данные и из других источников.

Первая версия WW вышла в 2004 году, была написана на С# и работала только под Windows. Разработка этой версии прекращена в 2007 году, и поэтому имеются проблемы совместимости с Windows Vista/Windows 7. Некоторый функционал недоступен, в частности модуль Scientific Visualization Studio, который позволяет просматривать анимацию многих природных явлений (пожаров, ураганов).

1.1.5. Неогеография

Рывок технического прогресса в области виртуальных глобусов и появление Google Earth привели к широкому распространению термина «неогеография». Хотя этот термин и использовался раньше, в современном смысле он был рассмотрен в 2006 году в книге Эндрю Тернера «Введение в неогеографию» [35].

1.5. Виртуальный глобус NASA World Wind 1.4.0 (14.02.2007)

Термин «неогеография» означает совокупность новых методов и средств для работы с геоданными [36]. Можно выделить три основных отличия от традиционного подхода:

• использование географических систем координат (долгота, широта и высота), а не картографических;

• использование растрового представления информации как основного;

• использование открытых форматов данных.

В традиционных ГИС используются картографические проекции, а данные хранятся в основном в векторной форме. Это было необходимо, т.к. во времена первых ГИС компьютеры были менее производительны, чем сейчас, а векторные данные занимают меньше места и требуют меньше вычислительных ресурсов.

Однако картографические проекции приводят к геометрическим искажениям: искажениями длин, площадей и углов. А векторные данные не полно и не точно отражают окружающую действительность.

Современные компьютеры могут легко работать, как с векторными, так и с растровыми данными ДДЗ, наложенными на виртуальный глобус. Также есть возможность отображения любых ЗО-моделей на глобусе. Это позволяет отказаться от условных обозначений и заменить их приближенными к реальности ЗЭ-моделями.

Неогеография предполагает обмен геопространственными данными между различными приложениями и для этого использование открытых стандартизованных форматов данных. Одним из таких форматов является KML (Keyhole Markup Language), который был изначально разработан для Google Earth и впоследствии был стандартизован. Сейчас этот формат поддерживают большинство ГИС и виртуальных глобусов.

Однако в среде профессиональных географов термин был встречен неоднозначно. Доктор географических наук A.M. Берлянт подверг критике термин «неогеография» в нескольких свои работах [37]. Основные положения: этот термин используется для влияния на «администраторов, распоряжающихся

денежными суммами», неогеография подразумевает отказ от условного, знакового обозначения объектов [38].

1.1.6. Современные тенденции в развитии виртуальных глобусов

Google Earth хорошо подходит для просмотра спутниковых снимков и готовых геопространственных данных. Но полноценная работа и анализ данных невозможны. GE нельзя расширять, усовершенствовать, добавлять свои типы данных и интегрировать с другими приложениями. У GE закрытые исходники и нет программного интерфейса (API), кроме браузерной версии.

Сейчас мы находимся на этапе, когда происходит применение виртуальных глобусов для реальных практических задач, проводятся исследования, разрабатываются новые виртуальные глобусы и идеи их применения. Можно привести несколько работ в этой области.

В Институте геодезии и геоинформатики Университета прикладных наук Северо-Западной Швейцарии с середины 2000-х годов разрабатывается виртуальный глобус i3D для научно-исследовательских целей [39].

В работе Schafhitzel Т., Falk М., Ertl Т. 2007 года [40] описывается реалистичный рендеринг планет с атмосферой в реальном времени.

В работе Schöning J., Hecht В., Raubal М. 2008 года [41] предлагается улучшение взаимодействия с виртуальным глобусом с помощью сенсорного экрана с множественным касанием (multitouch). Там же указывается на важность ответов на вопрос «Почему здесь это находится?», а не только «Что здесь находится?» при работе с виртуальным глобусом.

В работе Christen М. 2008 года [42] рассматривается идея применения трассировки лучей для рендеринга виртуальных глобусов, а также приводится набор необходимых улучшений для повышения реализма: процедурная генерация текстур на основе спутниковых данных, реалистичные облака, вода и растительность.

В 2009 году был разработан виртуальный глобус Crusta [43] специально для задач геологии. Упор был сделан на точную и интерактивную визуализацию

высокодетализированных данных (меньше 1м/пиксель). Глобус использует многогранник из 30 граней, что позволяет уменьшить искажения и устанить сингулярность на полюсах. Далее каждая грань рекурсивно делится на четырехугольники.

В 2010 группа немецких исследователей в рамках проекта EuroSDR (European Spatial Data Research) провела опрос участников геоиндустрии об использовании виртуальных глобусов и затем опубликовала отчет [44]. Основные выводы: виртуальные глобусы оказывают положительное влияние на индустрию и это направление будет развиваться и дальше. Основные проблемы: отсутствие стандартизации этой области и необходимость в больших вычислительных мощностях и новых геоинструментах.

Технология лидарной съемки позволяет восстанавливать трехмерный рельеф по облаку точек. В статье Christen M., Nebiker S. 2011 года описывается модификация алгоритма триангуляции Делоне для быстрого построения трехмерного рельефа виртуального глобуса с уровнями детализации [45].

В статье Nebiker S., Bleisch S., Christen M. авторы предлагают новый подход к построению ЗО-моделей городов, основанный на использовании облаков точек лазерного сканирования на виртуальном глобусе [46].

В 2011 была Bleisch S. защищена диссертация по оценке пригодности визуального комбинирования количественных данных при визуализации на виртуальном глобусе [47].

В 2011 году вышла монография «3D Engine Design for Virtual Globes» [48], полностью посвященной вопросам разработки приложений с использованием виртуальных глобусов. В книге рассматриваются основные вопросы и задачи, которые возникают при разработке глобусов: системы координат, математика эллипсоида, проблема точности и дрожания (jittering), рендеринг векторных данных на глобусе, рендеринг рельефа.

Усилия разработчиков тратятся сейчас на поддержку визуализации различных типов векторных данных на глобусе, ЗО-моделей, поддержку очень больших массивов данных: задачи динамической подгрузки и выгрузки.

Другое направление развития — увеличение реализма визуализации. Сейчас уже поддержаны визуализация атмосферы для любых высот над Землей, визуализации ЗО-моделей зданий больших городов. Интересно отметить проект ОШегга, разработчики которого добавляют фрактальную детализацию к данным ДЗЗ, генерируют процедурные дороги, леса и различные природные эффекты (рис. 1.6). Детали реализации разработчики раскрывают в блоге проекта [49]. Существуют такие задачи, как реалистичная вода, динамические тени, смена времен года.

Рис. 1.6. Виртуальный глобус Outerra

Визуализация данных на виртуальном глобусе также входит и в повседневную жизнь. Многие имеют телефоны со встроенными GPS или ГЛОНАСС датчиками. Это позволяет отображать на глобусе маршруты своих передвижений, добавлять географическую привязку к фотографиям и сообщениям в переписке с другими людьми.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бобков, Александр Евгеньевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Леонов, А. В. ЗО-документирование территории для систем виртуальной реальности/ А. В. Леонов, А. Е. Бобков, Е. Н. Ерёмченко // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2012. - Т. 9. - С. 13-17.

2. Алейников, А. А. Интерактивное ЗБ-приложение «Виртуальная Долина гейзеров»/ А. А. Алейников, А. Е. Бобков, В. А. Дрознин // Компьютерные инструменты в образовании. - 2011. - Т. 4. - С. 41—49.

3. Леонов, А. В. Виртуальное моделирование территории на основе данных дистанционного зондирования/ А. В. Леонов, А. А. Алейников, А. Е. Бобков // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъёмка. - МИИГАиК, 2011. - Т. 2. - С. 46-52.

4. Алешин, В. П. Устройство для тренировки восприятия виртуального пространства на основе адаптивной оптики/ В. П. Алешин, В. О. Афанасьев, А. Е. Бобков // Приборы. - 2012. - Т. 11. - С. 35-41.

5. Бобков, А. Е. Разработка инструментария для показа стерео-презентаций из файлов в KML-формате/ А. Е. Бобков, И. П. Казанский, С. В. Клименко // MEDIAS 2010: Тр. междунар. науч. конф. - 2010. - С. 41-47.

6. Бобков, А. Е. Разработка инструментария для показа стерео-презентаций из файлов в KML-формате/ А. Е. Бобков, И. П. Казанский, С. В. Клименко // ГрафиКон'2010: Тр. 20-й Междунар. конф. по компьютерной графике и зрению. -СПб., 2010. - С. 285-291.

7. Бобков, А. Е. Исследование и разработка методов визуализации территорий на виртуальном глобусе/ А. Е. Бобков, С. В. Клименко, А. В. Леонов // MEDIAS 2011: Тр. междунар. науч. конф. - 2011. - С. 33-37.

8. Бобков А. Визуализация сейсмических данных на виртуальном глобусе/ А. Бобков, А. Леонов, В. Чебров // ГрафиКон'2012: Сб. тр. 22 Междунар. конф. по компьютерной графике и зрению. - М.: МГУ, 2012. - С. 163-168.

9. Aleshin, Y. Visual 3D Perception of the Ski Course and Visibility Factors at Virtual Space/ V. Aleshin, V. Afanasiev, A. Bobkov // 2011 International Conference on Cyberworlds. - IEEE, 2011. - P. 222-226.

10. Бобков, А. Е. Интерактивная визуализация 3D данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах (по материалам кандидатской диссертации)/ А. Е Бобков // Тр. Междунар. конф. по физико-технической информатике СРТ2013. - Протвино-М.: Изд-во ИФТИ, 2013. - С. 75-84.

11. Белосохов, Д. Е. Возможности ЗО-визуализации для эффективного представления результатов научных исследований/ Д. Е. Белосохов, А. Е. Бобков, А. В. Леонов // Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России: Тр. третьей науч.-технической конф. - Петропавловск-Камчатский, 2011. - С. 347-351.

12. Бакин, Р. И. ЗБ-реконструкция территории Ленинградской атомной электростанции для задач моделирования чрезвычайных ситуаций/ Р. И. Бакин, А. Е. Бобков, С. В. Клименко // Ситуационные центры и информационно-аналитические системы класса 4i. SC-IAS4i-VRTerro2011: тр. Междунар. науч. конф. - Протвино-М.: Изд. ИФТИ, 2011. - С. 176-184.

13. Dodge М., McDerby М., Turner М. The Power of Geographical

Visualizations // Geographic Visualization Concepts Tools and Applications / Ed. by M. Dodge, M. McDerby, M. Turner. John Wiley and Sons, 2008. P. 1-10.

14. Johnson, S. The Ghost Map: The Story of London's Most Terrifying Epidemic - and how it Changed Science, Cities, and the Modern World/ S. Johnson. -Penguin, 2006.

15. Tomlinson, R. A geographic information system for regional planning/ R. Tomlinson // GA Stewart, (ed.: Symposium on Land Evaluation, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, MacMillan of Australia., Melbourne. 1968.

16. Foresman, T. The history of geographic information systems: perspectives from the pioneers/ T. Foresman. - Prentice Hall PTR, 1998. ISBN: 0138621454.

17. Coppock, J. The history of GIS/ J. Coppock, D. Rhind // Geographical information systems: Principles and applications. - 1991. - Vol. 1, № 1. - P. 21^3.

18. Koninger, A. 3D-GIS for urban purposes/ A. Koninger, S. Bartel // Geolnformatica. - 1998. - Vol. 2, № 1. - P. 79-103.

19. Stoter, J. 3D GIS, where are we standing/ J.Stoter, S. Zlatanova // Proceedings ISPRS Workshop on spatial, temporal and multi-dimensional data modelling and analysis. - Quebec, Canada, 2003.

20. Дубинин, M. Отзыв на 3D ГИС Ульяновской области/ М. Дубинин. -2011. URL: http://gis-lab.info/blog/2011-09/3dgis/.

21. Емельянова, Г. ГИС сегодня: тенденции, обзор/ Г. Емельянова. - 2012. URL: http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=15737.

22. Емельянова, Г. Трехмерные ГИС приходят в Россию. Autodesk Infrastructure Modeler как инструмент создания 3D ГИС/ Г. Емельянова, И. Спивак, А. Шатохин. - 2012. URL: http://isicad.ru/ru/articles.php? article_num= 15195.

23. 3D World Atlas. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/3D_World_Atlas.

24. Now a Virtual Globe, Not Just a World Atlas. 1997. URL: http://www.microsoft.com/en-us/news/press/1997/nov97/vglobepr.aspx.

25. Bar-Zeev, A. The Word on Snow Crash and Google Earth/ A. Bar-Zee v. -URL: http://www.realityprime.com/blog/2007/09/the-word-on-snow-crash-and-google-earth/.

26. Gore, A. The Digital Earth : Understanding our planet in the 21st Century/ A. Gore. - 1998. URL: portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=6210.

27. Toutin Т., Cheng P. QuickBird - a milestone for high-resolution mapping/ Toutin Т., Cheng P. // Earth Observation Magazine. 2002. URL: ftp://ftp.geogratis.gc.ca/part6/ess_pubs/219/219909/13212.pdf.

28. QuickBird specification. URL: http://www.digitalglobe.com/sites/default/ files/ QuickBird-DS-QB-PROD.pdf.

29. SRTM. URL: http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/.

30. The History of the Modern Graphics Processor. URL: http://www. techspot.com / article/650-history-of-the-gpu/.

31. Google Earth press release. URL: http://googlepress.blogspot.ru/ 2009/02/introducing-google-earth-50_02.html.

32. Butler, D. Virtual globes: The web-wide world/ D. Butler // Nature. 2006. URL: http://ww.nature.com/nature/journal/v439/n7078/full/439776a.html.

33. Google Earth. URL: http://earth.google.com/intl/ru/.

34. NASA World Wind. URL: http://worldwind.arc.nasa.gov/index.html.

35. Turner, A. J. Introduction to Neogeography/ A. J. Turner // O'Reilly Media. -

2006.

36. Дмитриева, В. Т. Неогеография и стереотипы: новые подходы в обучении/ В. Т. Дмитриева, Е. Н. Ерёмченко, С. В. Клименко, В. И. Кружалин // Вестник Московского городского педагогического университета. Серия: естественные науки. - 2009. - Т. 2. - С. 104-114.

37. Берлянт, А. М. Картография как форма существования навигации/ A.M. Берлянт // Земля из космоса: наиболее эффективные решения. - 2010. - Т. 6. -С. 7-12.

38. Неогеография vs. картография. URL: http://www.neogeography.ru/rus/ news/articles/neogeography-vs-cartography-part-1 .html.

39. i3D Virtual Globe. URL: http://www.fhnw.ch/habg/ivgi/forschung/i3d.

40. Schafhitzel, T. Real-time rendering of planets with atmospheres/ T. Schafhitzel, M. Falk, T. Ertl // Journal of WSCG. 2007. URL: http://www.vis.uni-stuttgart.de/~falkmn/pubs/wscg07-schafhitzel.pdf.

41. Schoning, J. Improving interaction with virtual globes through spatial thinking/ J. Schoning, B. Hecht, M. Raubal // Proceedings of the 13th international conference on Intelligent user interfaces - IUI '08. - New York, New York, USA: ACM Press, 2008. - P. 129.

42. Christen, M. The Future of Virtual Globes The Interactive Ray-Traced Digital Earth/ M. Christen // ISPRS Congress Beijing. - 2008.

43. Bernardin, T. et al. Crusta: A new virtual globe for real-time visualization of sub-meter digital topography at planetary scales/ T. Bernardin, E. Cowgill, O. Kreylos // Computers & Geosciences. 2011. Vol. 37, no. 1. P. 75-85.

44. Nebiker, S. Virtual Globes: Tech. rep./ S. Nebiker, S. Bleisch, E. Gulch. -

2010.

45. Christen, M. Large Scale Constraint Delaunay Triangulation for Virtual Globe Rendering/ M.Christen, S. Nebiker // Advances in 3D Geo-Information Sciences/ Ed. by Т. H. Kolbe, G. Konig, C. Nagel. - Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2011. - Lecture Notes in Geo information and Cartography. - P. 57-72.

46. Nebiker, S. Rich point clouds in virtual globes - A new paradigm in city modeling?/ S. Nebiker, S. Bleisch, M. Christen// Computers, Environment and Urban Systems. - 2010. - Vol. 34, no. 6. - P. 508-517.

47. Bleisch, S. Evaluating the appropriateness of visually combining quantitative data representations with 3D desktop virtual environments using mixed methods: Ph. D. thesis / S Bleisch. - 2011. - P. 208.

48. Cozzi, P. 3D Engine Design for Virtual Globes. А К Peters/ P. Cozzi, K. Ring. - CRC Press, 2011. - P. 520. ISBN: 1568817118.

49. Outerra. URL: http://outerra.blogspot.ru/.

50. Руководство разработчика API Google Earth. URL: https://developers.google.com/earth/documentation/index?hl=ru.

51. NASA World Wind Java SDK. URL: http://worldwind.arc.nasa.gov/java/.

52. osgEarth. URL: http://osgearth.org/.

53. Tile Feature Service. URL: http://wush.net/trac/osgearth/ wiki/HowToGenerateTFS.

54. Web Map Service specification. URL: http://portal.opengeospatial.org/ files/?artifact_id=14416.

55. Tile Map Service specification. URL: http://wiki.osgeo.org/wiki/ Tile_Map_Service_Specification.

56. Web Map Tile Service specification. URL: http://portal.opengeospatial.org/ f iles/?artifact_id=35326.

57. Web Coverage Service specification. URL: http://portal.opengeospatial.org/ files/?artifact_id=4143 7.

58. Web Feature Service specification. URL: http://portal.opengeospatial.org/ files/?artifact_id=39967.

59. KML Reference. URL: http://code.google.com/apis/kml/ documentation/kmlreference.html.

60. KML Specification. URL: http://www.opengeospatial.org/standards/kml/.

61.ESRI Shapefile Technical Description. URL: http://www.esri.com/ library/whitepapers/pdfs/shapefile.pdf.

62. Fan, M. A review of real-time terrain rendering techniques/ M. Fan, M. Tang, J. Dong// 8th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design. - IEEE. - P. 685-691.

63. White M. Real-Time Optimally Adapting Meshes: Terrain Visualization in Games // International Journal of Computer Games Technology. - 2008. - P. 1-7. URL: http ://www.hindawi.com/j ournals/ijcgt/2008/753584/.

64. Livny, Y. Seamless patches for GPU-based terrain rendering/ Y. Livny, Z. Kogan, J. El-Sana // The Visual Computer. - 2009. - Vol. 25, no. 3. - P. 197-208.

65. Asirvatham, A. Terrain Rendering Using GPU-Based Geometry Clipmaps/ A. Asirvatham, H. Hoppe. - 2004. - P. 27-45. URL: http://research.microsoft.com/en-us/um/people/hoppe/gpugcm.pdf.

66. Gorski, К. M. et al. HEALPix: A Framework for High Resolution Discretization and Fast Analysis of Data Distributed on the Sphere/ К. M. Gorski, E. Hivon, A. J. Banday // The Astrophysical Journal. 2005. Vol. 622, no 2. P. 759-771.

67. Dana, P. H. Geodetic Datum Overview / P. H. Dana. - URL: http://www.colorado.edu/ geography/gcraft/notes/datum/datum.html.

68. Геоцентрическая и геодезическая системы координат. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1190817/node25.html.

69. Kemen, В. Logarithmic Depth Buffer/ В. Kemen. - URL: http://www.gamasutra.com/blogs/BranoKemerL/20090812/2725/Logarithmic_Depth_Bu ffer.php.

70. Ulrich, T. Rendering Massive Terrains using Chunked Level of Detail Control/ T. Ulrich // Proceedings of the 2002 ACM SIGGRAPH conference. - 2002.

71. Shreiner D. OpenGL Programming Guide. 7 edition. Addison-Wesley, 2009. P. 1019.

72. Blinn, J. F. Models of light reflection for computer synthesized pictures/ J. F. Blinn // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. - 1977. - Vol. 11, no. 2. - P. 192198.

73. NASA WMS. URL: http://neowms.sci.gsfc.nasa.gov.

74. Nishita, T. Display of the earth taking into account atmospheric scattering/ T. Nishita, T. Sirai, K. Tadamura, E. Nakamae // Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques -SIGGRAPH '93. - 1993. no. 2. - P. 175-182.

75. O'Neal, S. Accurate atmospheric scattering/ S. O'Neal // GPU Gems. -2005. -Vol. 2. - P. 253-268. URL: http://http.developer.nvidia.com/GPUGems2/ gpugems2_chapter 16.html.

76. Bruneton, E. Precomputed Atmospheric Scattering/ E. Bruneton, F. Neyret // Computer Graphics Forum. - 2008. - Vol. 27, no. 4. - P. 1079-1086.

77. Harris, M. J. Real-Time Cloud Rendering/ M. J. Harris, A. Lastra // Computer Graphics Forum. 2001. Vol. 20, no. 3. P. 76-85.

78. Wang, N. Realistic and Fast Cloud Rendering/ N. Wang // Proceedings of the SIGGRAPH 2003 conference. - 2003. - P. 1-17.

79. Bruneton, E. Real-time Realistic Ocean Lighting using Seamless Transitions from Geometry to BRDF/ E. Bruneton, F. Neyret, N. Holzschuch // Computer Graphics Forum. - 2010. - Vol. 29, no. 2. - P. 487-496.

80. Wimmer, M. Light space perspective shadow maps/ M. Wimmer, D. Scherzer, W. Purgathofer// Proceeding EGSR'04 Proceedings of the Fifteenth Eurographics conference on Rendering Techniques. - Eurographics Association, 2004. -P. 143-151.

81.Lagae, A. C. T. et al. State of the Art in Procedural Noise Functions/ A. Lagae, S. Lefebvre, D Rerose // EG 2010-State of the Art Reports. - 2010.

82. Everitt C. Interactive Order-Independent Transparency: Tech. rep.: 2001.

83. OpenGL depth buffer. URL: http://www.opengl.org/archives/ resources/faq/technical/depthbuffer.htm.

84. Baker, S. Learning to Love your Z-buffer/ S. Baker. - URL: http://www.sjbaker.org/ steve/omniv/love_your_z_buffer.html.

85. Horizon culling. URL: http://blogs.agi.com/insight3d/index.php/ 2008/04/18/horizon-culling/.

86. Lloyd, B. Horizon occlusion culling for real-time rendering of hierarchical terrains/ B. Lloyd, P. Egbert. - 2002. - P. 403^110. - URL: http://dl.acm.org/ citation.cfm?id=602099.602162.

87. Геологическая служба США (USGS). URL: http://usgs.gov.

88. Камчатский филиал Геофизической РАН. URL: http://www.emsd.ru/.

89. Середович, В. А. Наземное лазерное сканирование/ В. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. - Новосибирск, 2009. - Р. 261.

90. Rusu, R. В. 3D is here: Point Cloud Library (PCL)/ R. B. Rusu, S. Cousins // Robotics and Automation (ICRA): 2011 IEEE International Conference. - 2011.- P. 1-4.

91. Sainz, M. Point-based rendering techniques/ M. Sainz, R. Pajarola // Computers & Graphics. - 2004. - Vol. 28, no. 6. - P. 869-879.

92. Linsen, L. Point cloud representation/ L. Linsen. - 2001. URL: http://geom.ibds.kit.edu/papers/point_clouds.pdf.

93. Botsch, M. High-Quality Point-Based Rendering on Modern GPUs/ M. Botsch, L.Kobbelt // PG '03: Proceedings of the 11th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, IEEE Computer Societ. - Washington, DC, USA, 2003- P. 335.

94. Rosenthal, P. Image-space point cloud rendering/ P. Rosenthal, L. Linsen // Proceedings of Computer Graphics International. - 2008. - P. 136-143.

95. Schnabel, R. A Parallelly Decodeable Compression Scheme for Efficient Point-Cloud Rendering/ R.Schnabel, S.Moser, R.Klein // Eurographics Symposium on Point-Based Graphic. - 2007.

96. Schnabel, R. Octree-based Point-Cloud Compression/ R. Schnabel, R. Klein // Eurographics Symposium on Point-Based Graphic. - 2006. - P. 111-120.

97. Mitra, N. J. Estimating surface normals in noisy point cloud data/ N. J. Mitra, A. Nguyen, L. Guibas // International Journal of Computational Geometry & Applications. - 2004. - Vol. 14. - P. 261-276.

98. Bruton, D. Approximate RGB values for Visible Wavelengths/ D. Bruton. -URL: http://www.physics.sfasu.edu/astro/color/spectra.html.

99. OpenGL Shading Language specification. URL: http://www.opengl.org/ registry/ doc/GLSLangSpec.Full. 1.20.8.pdf.

100. Каталог землетрясений USGS. URL: http://earthquake.usgs.gov/ earthquakes/feed/.

101. Кулаков, И. Ю. Геодинамические процессы в коре и верхней мантии земли по результатам региональной и локальной сейсмотомографии: диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук/ И. Ю. Кулаков. - ИГМ СО РАН, 2007.

102. Koulakov, I. Feeding paths of the Kluchevskoy volcano group (Kamchatka) from the results of local earthquake tomography/ I. Koulakov, E. I. Gordeev, N. L. Dobretsov // Geophys. Res. Lett. - 2011. - Vol. 38.

103. Lorensen W. E., Cline H. E. Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm / W. E. Lorensen, H. E. Cline // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. - 1987. - Vol. 21, no. 4. - P. 163-169.

104. Drebin, R. A. Volume rendering/ R. A. Drebin, L. Carpenter, P. Hanrahan // ACM SIGGRAPH Computer Graphics. - 1988. - Vol. 22, no. 4. - P. 65-74.

105. Engel, K. Real-time volume graphics/ K. Engel, M. Hadwiger, J. M. Kniss // Proceedings of the conference on SIGGRAPH 2004 course notes GRAPH '04. - 2004. - P. 29.

106. Гаврилов, H. Стерео-визуализация научных и медицинских объемных данных трассировкой лучей в реальном времени/ Н. Гаврилов, А. Белокаменская// ГрафиКон'2010: Тр. 20-й Междунар. конф. по компьютерной графике и зрению. -СПб., 2010. - С. 350-352.

107. Гаврилов Н., Турлапов В. Качественная объёмная визуализация гигавоксельных массивов в блочном представлении на примерах данных из

медицины/ Н. Гаврилов, В. Турлапов // ГрафиКон'2012: Тр. 22-й Междунар. конф. по компьютерной графике и зрению. - М.: МГУ, 2012. - С. 174-179.

108. Боголепов, Д. Высококачественная объемная визуализации в реальном времени/ Д. Боголепов, И. Бугаев, Д. Сопин // ГрафиКон'2012: Тр. 22-й Междунар. конф. по компьютерной графике и зрению. - М.: МГУ, 2012. - Р. 169173.

109. Beyer, J. GPU-based Multi-Volume Rendering of Complex Data in Neuroscience and Neurosurgery: Ph. D. thesis/ J. Beyer. - 2009.

110. Bowring, B. R. Transformation from spatial to geographical coordinates/ B. R. Bowring // Survey Review. - 1976. - Vol. 23, no. 181. - P. 5.

111. Клименко, С. В. AVANGO. Система разработки виртуальных окружений/ С. В. Клименко, И. Н. Никитин, JI. Д. Никитина. - М.-Протвино, 2006.

112. Mine, М. Virtual environment interaction techniques/ M.Mine // UNC Chapel Hill computer science technical report. - 1995. URL: http://lsc.univ-evry. fr/~davesne/ens/pub/virtual_environment_interaction_techniqu_1293 02.pdf.

113.Robinett, W. Implementation of flying, scaling and grabbing in virtual worlds/ W. Robinett, R. Holloway // Proceedings of the 1992 symposium on Interactive 3D graphics - SI3D '92. - New York, New York, USA: ACM Press, 1992. - P. 189-192.

114. Stannus, S. Gestural navigation in Google Earth/ S. Stannus, D.Rolf, A. Lucieer, W. Chinthammit // Proceedings of the 23rd Australian Computer-Human Interaction Conference on - OzCHI '11.- New York, USA: ACM Press, 2011. - P. 269272.

115. Bonfigli, M. E. The Aksum project: a VR GIS for a 3D inclusive interaction with an archaeological landscape/ M. E. Bonfigli, M. Forte, A. Guidazzoli // Bar international series. - 2003. - Vol. 1227. - P. 1-5.

116. NVIDIA 3d Vision. URL: http://www.nvidia.com/object/3d-vision-glasses.html.

117. OpenSceneGraph. URL: http://openscenegraph.org.

118. Qt framework. URL: http://qt-project.org.

119. Awesomium. URL: http://awesomium.com.

120. Directlnput. URL: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/ desktop/ee416842(v=vs. 8 5). aspx.

121. Microsoft Kinect. URL: http://www.microsoft.com/en-us/kinectforwindows.

122. Афанасьев, В. О. Системы ЗО-визуализации индуцированной виртуальной среды: Ph. D. Thesis/ В. О. Афанасьев. - 2007. - Р. 211.

123. Elsaesser, Т. James Cameron's Avatar: access for all/ T. Elsaesser // New Review of Film and Television Studies.- 2011. - Vol. 9, no. 3. - P. 247-264.

124. Beiser, L. Anaglyph Stereoscopy/ L.Beiser. - 1979.

125. Dubois, E. A projection method to generate anaglyph stereo images/ E. Dubois // 2001 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. Proceedings (Cat. No.01CH37221). - IEEE, 2001. - Vol. 3. - P. 1661-1664.

126. Jorke, H. Infitec-a new stereoscopic visualisation tool by wavelength multiplex imaging/ H. Jorke, M. Fritz // Proceedings of Electronic Displays. - 2003. URL: http://jumbovision.com.au/filesЯnfltec_White_Paper.pdf.

127. NVIDIA Quadro Quad Buffered Professional Stereo Technology. URL: http://www.nvidia.com/object/quadro_stereo_technology.html.

128. OpenGL 4.3 specification. URL: http://www.opengl.org/registry/doc/ glspec43.core.20120806.pdf.

129. Gateau, S. Implementing Stereoscopic 3D in Your Applications/ S. Gateau, S.Nash. - 2010. - URL: http://www.nvidia.com/content/GTC-2010/pdfs/ 2010_GTC2010.pdf.

130. Zhai, S. Human performance in six degree of freedom input control: Ph. D. thesis/ S. Zhai. - 1995. - P. 179.

131. 3d connexion. URL: http://www.3dconnexion.com/.

132. Shotton, J. Real-time human pose recognition in parts from single depth images/ J. Shotton, T. Sharp, A. Kipman // Communications of the ACM. 2013. Vol. 56, no. l.P. 116-124.

133. Azimi, M. Skeletal Joint Smoothing White Paper / M. Azimi. - URL: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/jj 131429.aspx.

134. OpenNI. URL: http://www.openni.org/.

135. Boulos, M. N. К. Web GIS in practice X: a Microsoft Kinect natural user interface for Google Earth navigation/ M. N. K. Boulos, B. J. Blanchard, C. Walker // International journal of health geographies. - 2011. - Vol. 10. - P. 45.

136. Leap Motion. URL: https://www.leapmotion.com/.

137. Google Earth 7.1 released. URL: http://www.gearthblog.com/blog/archives/ 2013/04/google-earth-7-1-released-adds-support-for-leap-motion.html.

138. Фурса, M. В. Исследование и разработка математического и программного обеспечения оптичеких систем слежения реального времени для приложений виртуального окружения: Ph. D. thesis. - 2009. - С. 132.

139. Face Tracking library. URL: http://msdn.microsoft.com/en-us/library/jj 130970.aspx.

140. Global Imagery Browse Services. URL: http://earthdata.nasa.gov/about-eosdis/system-description/global-imagery-browse-services-gibs.

141. OpenWeatherMap. URL: http://openweathermap.org/.

142. DIVA GIS. URL: http://www.diva-gis.org/gData.

143. OpenStreetMap. URL: http://www.openstreetmap.org/.

144. Bourke, P. 3D Stereo Rendering Using OpenGL (and GLUT)/ P. Bourke. -1999.URL: ftp://ftp.sgi.com/opengl/contrib/kschwarz/GLUT_INTRO/SOURCE/ PBOURKE/ index.html

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Источники геоданных

Существуют различные данные ДДЗ в свободном доступе в интернете, которые можно использовать для создания собственного глобуса.

Изображения Земли

Blue Marble Next Generation — самая известная коллекция изображений с разрешением 500м/пк. Создана NASA путем обработки снимков со спутника MODIS, сделанных в 2004 году. Имеются изображения для всех 12ти месяцев. Изображения Зх типов: плоские, с данными топографии, с данными топографии и батиметрии.

MODIS — спутниковые снимки с аппаратов MODIS, которые были запущены на спутниках Терра (1999) и Аква (2002). Максимальное разрешение 25Ом/пк. Обновляются раз в день для всей Земли в нескольких спектральных диапазонах.

Landsat — спутниковые снимки, сделанные спутником Landsat-7, который был запущен в 1999 году. Максимальное разрешение 15м/пк. Сделаны в нескольких спектральных диапазонах.

Высотные данные

GTOP030 — глобальный набор высотных данных с разрешением 30 угловых секунд (~1 км/пк). Создан в 1996 году Геологической службой США (USGS). Данные собраны из различных источников растровой и векторной топографической информации.

NASA Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) — международный проект по получению высотных данных высокого разрешения между 56 S и 60 N. В феврале 2000 года была проведена радарная съемка земной поверхности с шаттла Эндевор в ходе 11ти-дневной миссии. Разрешение исходных данных — 1 угловая секунда (—30 метров/пк). Но данные такого разрешения были получены только для территории США. Для остальной части мира разрешение — 3 угловые секунды (-90 метров/пк). Вертикальная ошибка — примерно 16 метров.

Исходные данные проекта SRTM содержат дыры, т.е. области без высотных данных. Эти дыры присутствуют в горных и пустынных районах. Для заполнения дыр применяются различные алгоритмы интерполяции.

ASTER Global Digital Elevation Model (ASTER GDEM) — самая полная на данный момент цифровая модель рельефа между 83 S и 83 N с разрешением 3 Ом/пк. Выпущена в 2009 году. Получена на основе обработки стерео-пар спутниковых снимков с аппарата ASTER. Вертикальная ошибка составляет 20 метров.

Батиметрия

ЕТ0Р01 — цифровая модель рельефа всей Земли, включая рельеф морского дна с разрешением 1 угловая минута (~1.8км/пк). Выпущена Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA).

SRTM30_PLUS — цифровая модель рельефа всей Земли, включая рельеф морского дна с разрешением 30 угловых секунд (~1 км/пк).

Прочие данные

NASA регулярно публикует научные растровые данные для всей Земли [73, 140]. Сюда входят: температура суши и моря, толщина аэрозольного слоя, концентрация углекислого газа, плотность растительного покрова, альбедо поверхности.

Другие организации также выкладывают геопривязанные данные. Геологическая служба США (USGS) в реальном времени публикует землетрясения, происходящие в мире [100]. Также доступны архивные данные по землетрясениям. Проект OpenWeatherMap публикует текущие погодные данные в векторном и растровом форматах [141]. На сайте проекта DIVA-GIS опубликованы свободные векторные данные низкого разрешения для всех стран мира [142].

OpenStreetMap — картографический сервис, построенный про принципу вики [143]. Этот сервис позволят создавать и редактировать векторную карту Земли. Любой пользователь может нарисовать дороги, задать им свойства, отметить здания, парки, леса, реки, объекты инфраструктуры. Теоретически,

возможны акты вандализма, когда вносятся заведомо недостоверные данные. Но за счет очень большого количества участников, которые отслеживают корректность данных, можно почти не сомневаться в точности. Данные сервиса свободно доступны в растровом и векторном форматах.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Шейдеры для объемной визуализации

1-й проход

Вершинный шейдер:

varying vec3 position;

void main(void) {

position = gl_Vertex.xyz; gl_Position = f trans form () ;

}

Фрагментный шейдер:

varying vec3 position;

void main(void) {

gl_FragColor = vec4 (position, 1.0) ;

}

2-й проход

Вершинный шейдер:

varying vec3 positions-varying vec3 lightDirection; varying vec4 baseColor;

varying vec4 texBackCoord; //coord in offscreen texture

void main(void) {

position = gl_ Vertex.xyz; gl^Position = ftransform () ;

texBackCoord = gl_ModelViewProjectionMatrix * gl_Vertex; texBackCoord /= texBackCoord.w; texBackCoord += vec4(1.0, 1.0, 1.0, 0.0); texBackCoord *= vec4(0.5, 0.5, 0.5, 1.0);

baseColor = vec4(1.0, 1.0, 1.0, 1.0);

vec4 lightPosition = gl^ModelViewMatrixInverse * gl_LightSource[0] .position; if (lightPosition[3]==0.0)

{

// directional light source

lightDirection = -normalize (lightPosition.xyz);

}

else (

// positional light source

lightDirection = normalize((lightPosition-gl_Vertex).xyz);

}

}

OparMeHTHtiH meiiflep:

uniform sampler3D baseTexture;

uniform samplerlD tfTexture; uniform float tfScale; uniform float tfOffset;

uniform sampler2D backTexture;

uniform float SampleDensityValue; uniform float TransparencyValue; uniform float AlphaFuncValue;

varying vec3 position; varying vec4 baseColor;

varying vec4 texBackCoord; //coord in offscreen texture

const float _radiusEquator = 6378137.0; const float _radiusPolar = 6356752.3142;

const float flattening = (_radiusEquator-_radiusPolar)/_radiusEquator; const float eccentricitySquared = 2.0*flattening - flattening*flattening;

const float lonl = 2.094395102393

const float lon2 = 3.141592653589

const float latl = 0.174532925199

const float lat2 = 1.221730476396

const float zl = -25000.0;

const float z2 = -600000.0;

vec3 getTexCoord(vec3 pos) {

float p = sqrt(pos.x*pos.x + pos.y*pos.y);

float theta = atan(pos.z*_radiusEquator, (p*_radiusPolar));

float eDashSquared = (_radiusEquator*_radiusEquator -_radiusPolar*_radiusPolar) / (_radiusPolar*_radiusPolar);

float sin_theta = sin(theta);

float cos_theta = cos(theta);

float latitude = atan((pos.z + eDashSquared*_radiusPolar*sin_theta*sin_theta*sin_theta) / (p -_eccentricitySquared*_radiusEquator*cos_theta*cos_theta*cos_theta));

float longitude = atan(pos.y,pos.x);

float sin_latitude = sin(latitude); float N = _radiusEquator / sqrt( 1.0 -_eccentricitySquared*sin_latitude*sin_latitude);

float height = p/cos(latitude) - N;

float s = (longitude - lonl) / (lon2 - lonl); float t = (latitude - latl) / (lat2 - latl); float z = (height - z2) / (zl - z2);

return vec3(s, t, z);

}

void main(void) {

vec3 posO = texture2D(backTexture, texBackCoord.st).xyz;

vec3 posl = position;

const float max_iteratrions = 2048.0;

float num_iterations = ceil(1.O/SampleDensityValue);

if (num_iterations<2.0) num_iterations = 2.0;

if (num_iterations>max_iteratrions) {

num_iterations = max_iteratrions;

}

vec3 deltaPosCoord=(posl-posO).xyz/float(num_iterations-l.0); vec3 curpos = posO;

vec4 fragColor = vec4(0.0, 0.0, 0.0, 0.0);

while(num_iterations>0.0) {

vec3 texcoord = getTexCoord(curpos);

float v = texture3D(baseTexture, texcoord).a * tfScale + tfOffset; vec4 color = texturelD(tfTexture, v);

float r = color[3]*TransparencyValue;

if (r>AlphaFuncValue) {

fragColor.xyz = fragColor.xyz*(1.0-r)+color.xyz*r; fragColor.w += r;

}

if (fragColor.w<color.w) {

fragColor = color;

}

curpos += deltaPosCoord; —num_iterations;

}

fragColor.w *= TransparencyValue; if (fragColor.w>l.0) fragColor.w = 1.0;

fragColor *= baseColor;

if (fragColor.w<AlphaFuncValue) discard;

if (length(posO.xyz) < 0.01) {

discard;

}

if (length(fragColor.rgb) < 0.01) {

discard;

}

gl_FragColor = fragColor;

}

При разработке шейдеров использовались формулы и фрагменты кода из работ [117, 110].

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет стереоэффекта

Математика стереоэффекта подробно разобрана в работах [129, 144].

Пусть голова наблюдателя неподвижна и находится на расстоянии (screen distance) от экрана и смотрит точно в центр экрана. Глаза сдвинуты влево и вправо от положения головы на расстояние, где — расстояние между глазами (interocular distance). Вид сверху изображен на рис. В.1. На рисунке показаны оси координат видовой СК: ось X направлена вправо, а камера смотрит вдоль отрицательного направления оси Z.

v

\

sd

iod

Рис. В.1. Вид сверху на главную камеру и положение глаз

Состояние виртуальной камеры описывается 2мя основными матрицами: матрицей вида и матрицей проекции. В матрице вида заключено положение и ориентация камеры. В матрице проекции — параметры объема видимости. Объем видимости задается границами ближней плоскости отсечения (left, right, top, bottom) и расстояниями до ближней и дальней плоскостей отсечения (near, far) (рис. В.2).

Задача состоит в том, чтобы корректно посчитать матрицы вида и проекции для 2-х камер, соответствующих глазам. В рамках вышеописанных ограничений (голова зафиксирована относительно экрана) удобно хранить и вычислять изменение матриц для условной центральной камеры, которая соответствует

голове. Например, алгоритмы навигации (параграф 4.3) должны возвращать именно параметры для головы наблюдателя. Это позволяет уменьшить связность между модулями навигации и стереоэффекта. Модуль навигации не должен ничего знать про стереоэффект и иметь возможность работать без стерео. Матрицы для виртуальных камер нужно вычислять путем домножения на корректирующие матрицы.

Простейший (и неправильный) подход к виртуальным камерам состоит в простом их сдвиге по оси X (рис. В.З). Этот подход не учитывает наличие экрана. Реальному экрану (монитору) перед пользователем соответствует виртуальный экран в трехмерной сцене. Здесь можно применить метафору окна. Экран — это окно, через которое пользователь смотрит на трехмерную сцену.

Поэтому корректным будет конфигурация камер с учетом экрана на рис. В.4. Можно заметить, что объем видимости становится не симметричным. Также если ЗО-объект находится на бесконечности (очень далеко), то расстояние между его изображениями на экране должно равняться расстоянию между глазами (примерно 0.06м).

Рис. В.2. Параметры матрицы проекции

\

\ \

ч \

/

\ /

¡ой

/

Рис. В.З. Неправильный подход к стереоэффекту

V

\\

\ \

\ \

5(1

ч

у

/г //

/ /

/ /

" юа

Рис. В.4. Корректная конфигурация виртуальных камер

Для корректных расчетов необходимо задать следующие параметры: ширину экрана, высоту экрана, расстояние до экрана и расстояние между глазами. Делать это необходимо в тех единицах, которые используются в приложении. Обычно это метры.

Для корректировки матрицы вида необходимо её домножить на матрицу сдвига по оси X на 5 = 0.51ой для одной камеры и на 5 = — О.Бшй для другой.

м

view offset

140

"1 0 0 0"

0 1 0 0

0 0 1 0

.S 0 0 1.

(B.l)

Исходная матрица проекции для условной центральной камеры — симметричная. Нужно её также домножить на корректирующую матрицу, которая изменяет форму области видимости. Изменение формы области можно достичь, если применить ко всем вершинам всех объектов смещение по оси X, пропорциональное расстоянию до камеры (рис. В.5).

Рис. В.5. Корректировка объема видимости Матрица выглядит следующим образом:

М,

pro] offset

1 0 0 On

0 1 0 0

Q.5iod

0 1 0

sd

0 0 0 1-

(В.2)

Для правой камеры сдвиг будет в другую сторону.

Если всё это записать в матричной форме, то получится следующее:

V иМ^офМ^дфМу^дф offset^pro} offset^proj (В.З)

Данные формулы используют реальные параметры в метрах: расстояние между глаз и расстояние до экрана. Поэтому ощущения «объемности» и расстояния до объектов будут примерно соответствовать ощущениям в реальной

жизни. Но, как мы знаем, для дальних объектов на расстоянии больше 50м «объемность» почти не ощущается [122]. Земной шар из космоса представляется Земным диском. Аналогичная ситуация имеет место в виртуальном окружении. Действительно, параллакс для дальних объектов почти неотличим от расстояния между глазами (примерно 0.06м).

Но всё преимущество систем виртуального окружения состоит именно в ощущении объема. Для этого объект должен находиться в плоскости экрана и иметь размеры, сопоставимые с плоскостью экрана. Желательно, чтобы объект целиком умещался на экране. Тогда эффект будет максимальным: часть объекта будет казаться за экраном, часть — перед экраном, и благодаря этому глаза будут уставать меньше.

Но что, если объект слишком маленький (например, молекула) и находится очень близко к камере (меньше половины расстояния до экрана) или слишком большой (например, виртуальный глобус) и находится очень далеко (более чем в 100 раз дальше, чем экран)? В первом случае расстояние между изображениями для левого и правого глаза будет очень сильно расходиться, и глаза не смогут сфокусироваться. Во втором случае изображения будут на экране на расстоянии iod, модель будет казаться на бесконечности и никакого положительного эффекта «объемности» мы не почувствуем.

В этом случае можно пойти на сознательное искажение восприятия реального объема объекта, чтобы улучшить восприятие объекта в целом. Для очень больших объектов нужно всю сцену уменьшить в размерах, для маленьких — соответственно увеличить в размерах. Однако использование матрицы масштабирования нежелательно из-за возможных побочных эффектов. Вместо этого можно изменить параметры виртуальных камер. Если на рисунке В.4 раздвинуть камеры, то автоматически увеличится расстояние до экрана (плоскость пересечения объемов видимости будет считаться экраном). Как будто виртуальный наблюдатель вырос в размерах. Это равносильно уменьшению объекта. Удобно ввести параметр fd (fusion distance) — характерное расстояние до объекта. Это расстояние, на котором должен находиться виртуальный экран. Для

объектов в плоскости экрана параллакс равен нулю. Отсюда и термин fusion — схождение, слияние.

Тогда параметр s для сдвига камер в матрице (В.2) будет считаться по формуле:

. fd

S = °dJd (В.4)

При этом матрица проекции останется без изменений.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Аппаратное обеспечение

Спецификация аппаратного обеспечения, используемого для работы программного комплекса.

Процессор CPU Intel Core i5-3450 (3.1 rrV4core/SVGA HD Graphics 2500/1+6M6/77 Вт/5 ГТ/с LG AI 155)

Материнская плата ASUS P8Z77-V PRO/THUNDERBOLT (RTL) LGA1155 <Z77> 3xPCI-E+Dsub +DV+HDMI+miniDP/TB+GbLAN+WiFi SATA RAID ATX 4DDR-III

Оперативная память Corsair Vengeance <CMZ8GX3M1 A1600C10> DDRIII DIMM 8Gb <PC3-12800>

Видеокарта 1 Gb <PCI-E> DDR-3 PNY VCQ600(ATX)(V2)-T (OEM) DVI+DP <NVIDIA Quadro 600>

Жесткий диск SSD 128 Gb SATA 6Gb/s OCZ Vertex 4 <VTX4-25SAT3-128G> 2.5"MLC+3.5"адаптер

Жесткий диск HDD 1 Tb SATA 6Gb/s Western Digital Caviar Black <WD 1002FAEX> 7200rpm 64Mb

• Стерео монитор LG d2343p основе черезстрочного стерео Microsoft Kinect for Windows

• Джойстик 3dconnexion SpaceNavigator

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный >нивср<вгет)« (МФТИ)

Юридический адр*с; 111303, т. Москва.

ул. Керчеяскм, дом 1 А трще 1 Почто»ый адрес: 141 ?00. Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский переулок, 9 Тем,; 408-57-00. факс: [phone]

ш!

от

л:' \

! - <1* , V , »

УТВЕРЖДАЮ

^ 1зроез£«>|3,|»онаучной )н ли 1 швлняойной работе, ([}"-■ - Муравьев Л.Л.

М_2013 г.

АКТ

о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Бобкова Александра Евгеньевича

Комиссия в составе:

Председатель: декан ФИВТ. к.ф.-м.н, Кривцов В.Е.

члены комиссии: заведующий кафедрой, д.ф.-м.н., Ройтберг М.А.

доцент, к.т.н, Алешин В.П. составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы «Интерактивная визуализация ЗО-даяных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наукч использованы в деятельности Московского физико-технического шетитута (государственного университета) в виде:

1. Интерактивного стереоскопического приложения для визуализации горнолыжных трасс на виртуальном глобусе для использования в горнолыжном тренажере.

2. Методики визуализации геопространственных данных на виртуальном глобусе

3. Демонстрационных материалов для курсов «Системы ситуационного моделирования и виртуального окружения» и «Компьютерная графика», читаемых

на ФИВТ.

Использование указанных результатов позволяет: повысить качество обучения лыжников на тренажере, благодаря погружению в виртуальную среду, а также студентов но указанным выше курсам.

Председател^камиссин:

' Кривцов В.Е. Члены ^миссии: 4

_^ФУ _1 Ройтберг МЛ.

иг/С^__Алешин В.П.

МП"

{ОАО

УТВЕРЖДАЮ ОАО

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК _

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ БЕЗОПАСНОГО РАЗВИТИЯ АТОМ! ЮЙ ЭНЕРГЕТИКИ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИБРАЭ РАИ)

УТВЕРЖДАЮ

результатов

в составе:

Председатель: замдиректора, к.ф-м.н. Осипьянц И.А. члены комиссии: заведующий лабораторией, Бакин Р.И

. сотрудник, к.ф-м.н. Нрииачкин Д.А. о том, что результаты диссертационной работы «Интерактивная визуализация ЗО-даиных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, использованы в деятельности ФГБУН «ИБРАЭ РАН» в виде:

1. Интерактивного стереоскопического приложения, которое содержит модель Ленинградской АЭС и прилегающей территории на виртуальном глобусе.

2. Научно-пракгичейких рекомендации по использованию виртуального глобуса для построения единой системы мониторинга радиационной обстановки.

результатов позволяет: повысить качество обучения АСФ ПС «Росатом», благодаря погружению в виртуальную среду: при отрабатывании действий при чрезвычайных ситуациях.

Государственный ' контракт Ш ДР4ш.21.12.09.1005 «Создание учебно-

ариашга плана мероприятий по защтс персонала в случае аварии на ЛАЭС» 2010г. - УДК 621.039.586 Ш897-Д.4ш.21.12.09.1005-8, 2011г. - УДК 621.039.586 №3333-Д.4ш.21.12.09.1005-10

Разработка трехмерной модели местности вокруг ЯРОО с детальной прорисовкой промплощадки и населенных пунктов расположенных вблизи ЯРОО. 2013 г. УДК 621.039.586 №3737-Д.4ш.21.12.09.1005-13)

МП

„ Í

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ИСТОРИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕХНИКИ ИМ, С. И. ВАВИЛОВА РАН

АКТ

ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАТИКИ

142281, Московская обл, Протвино, Заводской про&зд 6, ИНН 5037002412

(710 науке

Слободюк Е.А.

октября 2013 г.

«УТВЕРЖДАЮ»

Акт mOlO/Ol-K