Интерактивная визуализация 3D-данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах

• Автор: Бобков, Александр Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.01.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 149 с. : ил.

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
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 (ЗЯТМ). 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.

дальней плоскости отсечения, тем больше ошибка. И может оказаться так, что дальние объекты будут закрывать ближние.
Проблема частично решается введением логарифмического буфера глубины, что, однако, влияет на производительность приложения [69].
Аккуратность расчетов. Нужно помнить, что Земля — это эллипсоид, а не сфера. И при осуществлении расчетов учитывать разницу между экваториальным и полярным радиусами, разницу между геоцентрической и геодезической нормалями. Например, при движении космических аппаратов вокруг Земли или при позиционировании объектов на поверхности глобуса.
Кривизна. Нужно помнить, что Земля — круглая. Если соединить 2 точки на поверхности прямой линий в декартовых координатах, то эта линия окажется под поверхностью глобуса. Необходимо применять различные методы, чтобы все линии и полигоны оказались на поверхности, а не под поверхностью. Нужно помнить про линию перемены дат, и что на полюсах имеется сингулярность.
Большие объёмы данных. Виртуальный глобус строится на основе спутниковых снимков и карт высот. Если мы заходим представить рельеф всей Земли с разрешением 1 м на пиксель, то нам понадобится текстура 40 млн на 20 млн пикселей размером примерно в 11 петабайт. При этом возникает проблема — ограничение видеопамяти. На современных видеокартах имеется порядка 1 гигабайта памяти. При этом существуют ограничения на размер текстур в памяти — примерно 8192x8192 пикселей. Также существует предел обработки количества вершин модели в секунду.
Поэтому основная проблема заключается в том, как использовать большой объем (гигабайты и петабайты) исходных данных на жестком диске, чтобы показать на экране рельеф с небольшим числом вершин и небольшим размером текстур, который мог бы обновляться с частотой 30 кадров в секунду.
Использование многопоточности. Динамическая загрузка и выгрузка данных из памяти сильно влияет на производительность. Эти операции лучше все выполнять в отдельном потоке.