Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика

Подождите немного. Документ загружается.

4. Полностью управляемая пользователем виртуальная модель

местности, визуализируемая в режиме реального времени. Здесь

пользователь может изменить все параметры, причем результаты

изменений становятся видны сразу же без каких-либо дополнитель-

ных расчетов. Создание модели может быть чрезвычайно сложным,

требуя не только больших вычислительных мощностей, но и владе-

ния сразу несколькими ГИС-пакетами, пакетами ЗБ-анимации,

программирования и пр. Квалификация пользователя может быть

различной: от минимального ознакомления с программой и про-

стого просмотра до глубокого знания особенностей построения мо-

дели и возможности внесения в нее необходимых изменений.

Назначение анимаций. Область применения анимированных кар-

тографических изображений практически не ограничена. Как из-

вестно, картографировать можно практически любые предметы,

которые нас окружают. Неоспоримо, что все картографируемые

объекты со временем меняются. Следовательно, для любого пред-

мета картографирования может быть создана картографическая ани-

мация.

В настоящее время основными областями, для которых создаются

и в которых используются картографические анимации, являются:

1) оперативное картографирование (Гидрометеослужбы) и эк-

стренное картографирование при чрезвычайных ситуациях (ЧС).

Цели: своевременная поддержка принятия решения, выявление

закономерностей развития картографируемого явления, достовер-

ное прогнозирование развития ситуации на основании имеюще-

гося динамического ряда состояний картографируемого процесса:

2) учебный процесс (в школах, вузах, военных учебных заведе-

ниях и др.). Цель: достоверная передача знаний учащимся, более

НЭГЛЯДНая демонстрация ранее выявленных закономерностей раз-

вития картографируемых явлений и процессов:

3) демонстрационно-рекламная и пропагандистская деятель-

ность (различного рода презентации и показы, совмещающие де-

монстрацию картографических фильмов с разнообразной прочей

информацией — текстами, графиками, таблицами, фотоматериа-

лами, видеозаписями). Цель: наглядная передача специализиро-

ванной информации лицам, не обладающим картографической

подготовкой (потенциально — демонстрация гражданам, не име-

ющим вообще никакого специального образования!, для того что-

бы ПОДВИГНУТЬ их к какому-либо действию:

4) планирование военных операций или слежение за их ходом.

Цель: максимально наглядная передача специализированной ин-

формации лицам, имеющим картографическую ПОДГОТОВКУ ДЛЯ

обеспечения оперативной поддержки принятия решения:

5) фундаментальные исследования в области исторических, гео-

графических, геологических, общественных наук. Цель: фундамен-

тальные исследования для выявления неизвестных ранее процессов.

Анимация и математическая основа карт. Временной масштаб

анимаций. В настоящее время двухмерные динамические анимаци-

онные карты, как правило, обладают всеми атрибутами классиче-

ской карты (масштабом, проекциями, сеткой меридианов и парал-

лелей и пр.).

Проекция.

Как правило, основная часть анимаций создается с

расчетом на неизменность проекции. Смена проекции при созда-

нии двухмерных анимаций практически всегда приводит к необ-

ходимости изменения компоновки карты, ее масштаба, смеще-

нию легенд и прочим изменениям, настолько значительным, что

в результате приходится переделывать весь фильм. Смена проек-

ции при создании трехмерной анимации вообще требует полного

пересчета всей модели. Относительно просто поменять проекцию,

а также компоновку анимированной карты можно лишь в том слу-

чае,

если мы имеем дело с последовательностью векторных карт,

переводящихся в растр и выводимых на экран в реальном времени.

Следует отметить, что вести речь о проекции для анимирован-

ных анаморфоз можно лишь условно, так как в ходе анимации

контуров происходит динамическое изменение пространства, ко-

торое не может быть описано одной проекцией. Здесь можно лишь

напомнить о семействе проекций, в рамках которых происходит

покадровое изменение пространства.

При создании трехмерных анимаций, особенно изометрических

изображений, перспективных видов, облетов местности и т. п. нельзя

говорить о проекции самого изображения на экране дисплея, так

как в проекции находятся лишь данные, на основании которых

строится само изображение в кадре.

Масштаб.

Масштаб анимационной компьютерной карты так-

же нельзя рассматривать в классическом понимании этого терми-

на, так как он зависит от размера дисплея, на котором демонстри-

руется фильм, и от размера окна, в котором ведется показ (окно

может быть больше или меньше дисплея). При создании анимации

по облету трехмерной модели местности, когда мы имеем дело с

изометричным изображением, говорить о масштабе вообще не-

корректно. Поэтому для всех видов картографической анимации

целесообразно было бы использовать термин «пространственное

разрешение». Для двухмерной анимации пространственное разре-

шение будет выражаться в метрах на пиксел, для трехмерной —

просто в метрах (например, пространственное разрешение вирту-

альной модели местности составляет 20 м).

Временной масштаб изображений.

Поскольку время является

по своей сути четвертой координатой, то при создании анимаций

можно учитывать временной масштаб. В основном в картографии

все показываемые процессы отображаются в ускоренном режиме,

однако в принципе можно предположить появление и замедлен-

ных картографических анимаций. Временной масштаб 1:86 400 ука-

зывает на то, что одной секунде анимации соответствует 86 400 с

реального времени, т.е. 1 сут.

Нужно отметить, что в анимации, особенно при создании двух-

мерных анимаций, обычно имеют дело не с секундами, а с кадра-

ми.

Нередко при просмотре фильма можно увидеть надпись

«1

кад-

ру соответствует

год». В этом случае точно определить временной

масштаб становится затруднительно, так как для этого нужно еще

знать, сколько кадров показывается в секунду в данной анимации.

Использование разных по временному масштабу картографи-

ческих анимаций дает результат, сходный с использованием раз-

ных по масштабу карт на одну и ту же территорию. При уменьше-

нии масштаба карты (в результате генерализации) на карте оста-

ются лишь основные, самые важные детали строения местности, а

менее значимые исчезают. И наоборот, при увеличении масштаба

можно увидеть незначительные особенности местности, неразли-

чимые на мелкомасштабных картах. Уменьшение временного мас-

штаба анимации позволяет выявить основные направления разви-

тия территории, сгладив короткие незначительные «биения» за счет

сверхускоренного показа событий. Фильмы же с крупным времен-

ным масштабом скрывают от нас эти основные направления, но

позволяют детально изучить особенности отклонений развития

явлений от основного течения. Использование смены временного

масштаба позволяет говорить о временной генерализации карто-

графируемых явлений и процессов.

Легенды к картографическим анимациям. Легенды для анимаций

должны удовлетворять двум взаимно противоположным условиям:

быть максимально полными, показывая все виды условных знаков

на карте и все варианты их анимации для обеспечения максималь-

ной наглядности карт, и небольшими по размеру, так как размер

матрицы экрана относительно невелик.

Легенды анимационных карт часто содержат как привычные

условные обозначения, принятые в классической картографии, так

и достаточно специфические элементы, редкие или никогда не встре-

чающиеся на обычных картах. Приведем несколько примеров:

—

счетчики времени. Применяются для точного определения

момента времени, на который создавалась карта;

—

цветовые многоступенчатые или непрерывные градиентные

шкалы (число ступеней цветов может достигать

800,—1000

и бо-

лее).

Используются для анимирования цветовой окраски и дости-

жения эффекта плавного перехода цветов;

—

анимированные условные знаки (точечные, линейные, пло-

щадные). Сами изображения знаков могут быть как двух-, так и

трехмерными;

—

пульсирующие условные знаки (знаки с циклически меня-

ющейся формой, цветом, светлотой, внутренней структурой, ори-

ентацией);

—

индикаторы достоверности данных или типов данных для каж-

дого кадра.

Особенности компоновки картографических анимаций. К началу

XXI

в. практически все аналоговые и кинематографические спосо-

бы демонстрации и создания картографической анимации пере-

стали применяться, так как все они являлись чрезвычайно трудо-

емкими (требовалась ручная или частично автоматизированная

прорисовка каждого кадра), пользователь не мог ничего изменить

в уже готовом анимационном продукте, средства демонстрации

(кинозал, проектор, экран) были громоздкими или имели высо-

кую стоимость, а сам процесс — длительным и дорогостоящим.

Упоминающиеся в отдельных источниках способы создания ани-

мации путем съемки на видеокамеру отдельных бумажных карт в

заданной последовательности [А. М. Берлянт, Л.

А.

Ушакова,

2000]

в настоящее время также практически не используются.

Абсолютное большинство картографической анимации созда-

ется с использованием компьютеров и предназначено для про-

смотра на экране дисплея.

Основой для восприятия человеком анимации является изобра-

жение, выводимое на экран компьютера, и при просмотре анима-

ции человек может воспринять лишь ту информацию, которая

находит отражение на экране. Однако как раз экран компьютера

является самым «узким» местом в создании картографической ани-

мации.

Несмотря на колоссальный рост объемов накопителей данных

и мощности процессоров за последние 10 лет, увеличение разме-

ров дисплеев и их разрешения (в дюймах и в количестве пиксе-

лов) невелико. Приведем пример: в начале 1993 г. компьютер, счи-

тавшийся «хорошим», обладал жестким диском объемом

20—40

Мб,

оперативной памятью 1—4 Мб и экраном с максимальным раз-

решением 640 х 480 пикселов с диагональю 14 дюймов. В начале

2003

г. «хорошим» считается компьютер, обладающий жестким

диском объемом

80—120

Гб (увеличение в

3000

—

4000

раз), опе-

ративной памятью около 512 Мб (увеличение в

128—512

раз), эк-

раном с максимальным рабочим разрешением

1600x1200

при

диагонали 19 дюймов. Таким образом, увеличение площади экра-

на (в пикселах) составило 6,25 раза, а увеличение его площади в

квадратных сантиметрах составило всего 1,84 раза.

Чтобы понять, много это или мало, перейдем к аналоговым

картам. При сканировании стандартной военно-топографической

карты полная передача всей необходимой информации с точно-

Рабочее разрешение

—

разрешение, при котором обеспечивается постоянная

комфортная работа пользователя; предельное значение разрешения монитора все-

гда выше его рабочего разрешения, но им практически никогда не пользуются из-

за низкой частоты обновления экрана.

стью,

соответствующей или превышающей точность исходной кар-

ты,

достигается при разрешении сканирования 250 точек на дюйм

(размер точки — 0,1 мм, точность карты — 0,4 мм, минимальная

толщина линии на карте — 0,15 мм). Следовательно, на экране с

разрешением 1600 х 1200 точек поместится столько же информа-

ции, сколько на бумажной карте размером 16 х 12 см. Небольшое

поле для деятельности, особенно если учесть, что основная масса

пользователей работает с разрешением 1280 х 1024 или

1024x768

точек! Из этого вытекает необходимость максимально эффективно

использовать все поле изображения, стараясь по возможности ос-

тавлять на нем лишь наиболее значимые и важные детали.

Второй особенностью компоновки компьютерных картографи-

ческих анимаций являются пропорции экрана и его ориентация.

Пропорции всех без исключения экранов составляют 4:3 (отно-

шение ширины к высоте), и кадр всегда расположен горизон-

тально.

Возможно, развитие технологий производства плоских мони-

торов приведет к появлению экранов, которые можно повернуть

боком, однако это дело не сегодняшнего дня. Вследствие этого

создание анимаций, сильно вытянутых в вертикальном направле-

нии, затруднено, так как при этом их вертикальный размер лими-

тируется короткой стороной экрана.

Требование к пропорциям экрана как 4:3 необязательно — про-

порции могут быть какими угодно: достаточно лишь перейти от

полноэкранной анимации к оконной. Однако при этом полезная

площадь окна сильно уменьшается.

Следует отметить, что первые картографические анимации

[N.J.W.

Thrower,

1959] обладали рядом особенностей, необычных

ддя классической картографии и современных анимаций. Так, на

этих картах не указывался масштаб, проекция, отсутствовала сет-

ка меридианов и параллелей, не было легенд. Это особенности

были обусловлены техническими и идеологическими причинами.

В частности, отсутствие легенд автор объяснял тем, что у зрителя

все равно нет времени их читать, и предпочитал давать легенды в

виде звукового сопровождения. Подобный подход заслуживает вни-

мания и может использоваться если не для полной, то хотя бы для

частичной замены легенды при создании сложных комплексных

анимаций.

Анимация и картографические способы изображения. Несомнен-

но,

широкое распространение различных методов использования

анимации приведет к некоторому пересмотру классификации кар-

тографических способов изображения, добавив к ним ряд других

способов.

Как известно, при создании всех условных знаков картограф

оперирует графическими переменными. В классической картогра-

фии к таковым относятся: форма, размер, цвет, светлота, внут-

ренняя структура и ориентация знака. Картографические анима-

ции добавили к этому ряду еще несколько переменных.

Приведем эти переменные совокупно с примерами гипотети-

ческих двухмерных карт (не являются картами динамики!), исполь-

зующих анимационные эффекты в качестве условных обозначе-

ний.

Анимация формы (условный знак может менять свою форму,

причем смена формы может идти по-разному в зависимости от

семантического значения знака). Пример: демографическая карта

городов, на которой уровень рождаемости показан в виде услов-

ного знака — кружка, при этом рождаемость тем выше, чем боль-

ше разность между начальным и конечным размерами кружка, ско-

рость увеличения каждого кружка пропорциональна среднему числу

родившихся детей на 100 матерей. Анимации циклически повторя-

ются.

Анимация цвета (условный знак меняет исходный цвет на дру-

гие цвета, скорость и тип смены цвета характеризуют интенсив-

ность картографируемого процесса). Пример: электоральная кар-

та городов, показанных условным знаком — белым кругом. Раз-

мер круга пропорционален численности жителей. Электоральные

предпочтения большинства показаны переходом от белого цвета к

условному цвету, ассоциированному с тем или иным кандидатом,

скорость смены цвета пропорциональна перевесу на выборах. Ани-

мации циклически повторяются.

Анимация размера (условный знак меняет размер, смена разме-

ра зависит от семантики). Пример: карта населенных пунктов. На-

селенные пункты показаны условным кругом диаметром Z). Ми-

грация населения представлена циклической медленной сменой

размера знаков (временной период смены — Т)\ причем диаметр

знака меняется пропорционально количеству мигрантов за год.

Поселки вахтового типа с сезонным заселением показываются также

циклической сменой знака (период смены — Т/6), пропорцио-

нальной численности вахты.

Анимация внутренней структуры знака (внутри знака происходит

смена текстуры или рисунка знака). Пример: карта населенных пунк-

тов,

показанных геометрическими условными знаками различной

формы в зависимости от типа поселения — городское или сельское.

С помощью различного цвета отражен национальный состав, при

этом текстура передает половозрастной состав, анимация тексту-

ры — изменения в структуре половозрастного состава, имевшие

место за период.

Анимация

положения

знака. С помощью характера движения знака

можно представить дополнительную информацию об объекте. Ани-

мация положения возможна в двух видах.

Первый вид — движение значка по полю карты, показывающее

фактическое перемещение объектов в пространстве. Пример: карта

преобладающего направления течений в море. Направление дви-

жения водных масс показано движущимися стрелками.

Второй вид анимации положения знака — знак передвигается,

но движение знака не связано с его перемещением в пространстве.

Пример: карта мира, на которой в центре каждой страны стоит

одинаковый условный знак (например, круг); при достижении стра-

ной определенного уровня эмиграции за год знак начинает совер-

шать «биения» из стороны в сторону, оставаясь в конечном итоге

на одном месте, причем амплитуда биений пропорциональна даль-

ности миграции.

Анимация ориентации знака является частным случаем приме-

нения анимации формы знака и потому не была выделена в от-

дельную динамическую переменную.

Анимация поверхностей. В географии часто возникает необходи-

мость анализа ряда поверхностей. Это может быть, например, ЦМР

одной и той же территории в различные эпохи; поле атмосферно-

го давления; поверхность, построенная по псевдоизолиниям ле-

систости местности.

Анализ разновременных состояний поверхности и выявление

динамики развития поверхности путем визуальных наблюдений и

классической картометрии практически невозможен. Для проведе-

ния подобных исследований необходимо использование специали-

зированного математического аппарата. Применение математиче-

ских методов само по себе затруднительно, да и не слишком на-

глядно. Зачастую, особенно если необходимо лишь уяснить суть

происходящих изменений и их скорость, можно упростить данную

задачу путем использования трехмерной анимации поверхности.

Допустим, известны

состояний поверхности за период Г. На

каждый ключевой момент времени, на который мы обладаем ин-

формацией о состоянии поверхности, проводится построение ре-

гулярной модели поверхности (GRID) (использование нерегуляр-

ной триангуляционной модели данных (TIN) затруднительно по

программным и техническим причинам).

Далее каждая из N моделей подгружается в специализирован-

ное ПО (например,

3D-Studio

МАХ), где задается ее временная

принадлежность (например, /-я поверхность существовала в /с-й

момент времени) — временные промежутки между состояниями

поверхности могут быть неодинаковыми, задается общее количе-

ство кадров в анимации и скорость смены кадров. Шсле этого ком-

пьютер автоматически просчитывает промежуточные кадры (меж-

ду ключевыми), составляя из них единый анимационный фильм.

Процесс интерполяции состояний поверхности для каждого мо-

мента времени по ключевым состояниям называется морфингом

(Morphing).

При необходимости (для повышения наглядности и информа-

тивности анимации) поверхность может быть текстурирована или

«драпирована» (если поверхностью является рельеф местности, то

ее можно обтянуть текстурой космических снимков), в нее могут

быть добавлены какие-либо прочие объекты (например, населен-

ные пункты). В процессе анимации поверхности можно произвести

ее облет либо создать ряд анимаций одной поверхности, сделан-

ных с разных точек обзора.

Использование подобного подхода позволяет чрезвычайно на-

глядно и эффектно продемонстрировать основные тенденции раз-

вития поверхности во времени и провести визуальную оценку этих

изменений.

Реализация анимации анаморфоз. В качестве наиболее сложно-

го примера обратимся к методике создания анимированных ана-

морфоз. Суть предлагаемой авторами идеи

[N.

Bogomolov,

Rylskiy,

V.Tikunov,

2002]

такова. Пусть существуют два изображения: ис-

ходное (недеформированное) и результирующее (анаморфоза). Оба

изображения (векторные) имеют одинаковую топологию объек-

тов и одинаковое количество вершин для каждого контура.

В результате реализации разработанной авторами программы

на основании упомянутых изображений строятся промежуточные

фазы перехода от обычной карты к анаморфозе. Пользователь имеет

возможность построить все промежуточные фазы данной анима-

ции и увидеть их на экране со скоростью 25 фаз в секунду. Про-

должительность анимации задается пользователем. Имеется воз-

можность проигрывания анимации как от обычной карты к ана-

морфозе, так и наоборот.

При построении промежуточных фаз производится линейная

интерполяция координат X, Уточек-узлов каждого контура. Пользо-

ватель имеет следующие возможности:

• просмотреть файл типа KRLB (результирующий формат про-

граммы для построения анаморфоз);

• задав два файла KRLB (с идентичной топологией и количе-

ством узлов), просмотреть все фазы превращения одного изобра-

жения в другое. В данном случае это обычная карта, переходящая в

анаморфозу, однако возможно построение промежуточных фаз для

двух заданных анаморфоз (например, анаморфозы населения стран

мира за разные годы);

• возможна как ручная, так и автоматическая прокрутка кадров.

Для автоматической прокрутки пользователь задает длительность

анимации и ее направление (например, от карты 1 к карте 2, или

наоборот);

• результаты автоматического построения фаз могут быть со-

хранены на диске в виде отдельных кадров, записанных в формате

*.bmp,

пользователю необходимо лишь задать количество кадров.

Кроме того, имеется возможность задать разрешение результиру-

ющего растра (практически любых размеров), а также откадриро-

вать и увеличить любой участок изображения;

9 Геоинформатика

257

• при построении анаморфоз (при недостаточном количестве

узлов) возможно образование из одного контура нескольких (по*

явление самопересекающихся ломаных). Пользователь может про-

верить любой из KRLB-файлов на предмет наличия подобных мест,

и в случае их обнаружения программа отметит их контрастным

цветом (красным).

Ниже приводятся некоторые сведения о том, как можно повы-

сить информативность и размерность изображения. Как упомина-

лось выше, и по настоящее время мы имеем дело прежде всего с

плоскими (2D) изображениями. Несколько реже используется ото-

бражение на плоскости ЗО-изображений (поверхности, блок-диа-

граммы).

С началом эры персональных компьютеров, способных вос-

производить полнометражное видео, возможность отображения

какого-либо объекта в динамике стала приравниваться к повыше-

нию размерности исходного статического изображения на один

уровень. Динамические 20-изображения (например, картограммы,

где значение показателя выделено цветом) по сути трехмерны.

Динамические ряды данных по целому ряду показателей до-

вольно часто встречаются в социально-экономической картогра-

фии. Построение динамических 20-изображений по каждому из

показателей в отдельности стало в настоящее время достаточно

частым явлением. Анализ одного картофильма — дело также не-

сложное. Есть возможность построить картофильм и на каждый из

картографируемых показателей. Однако провести некие корреля-

ции между ними в определенной степени затруднительно.

Таким образом, мы вплотную подошли к существу одной из

проблем — картографированию сразу нескольких динамических

показателей одновременно, без построения дополнительных ди-

намических карт корреляций.

Рассмотрим задачу на примере трех показателей: 1) численно-

сти населения; 2) средней продолжительности жизни; 3) ВНП на

душу населения. Все показатели брались для каждой страны мира

за последние 30 лет. Показ динамики сразу трех показателей на

одной модели методами классической картографии достаточно

затруднен. Однако решение может быть следующим.

Население мира: ежегодно строится анаморфоза численности

населения (мир). Изображения (каждое из них) двухмерны. Если

запустить последовательно все изображения одно за другим, то

увидим «вздутия» и «сплющивания» для различных стран. Поскольку

изображения растровые, для каждой страны выберем точку, кото-

рая бы не смещалась за весь период, находилась примерно в цент-

ре страны, и определим ее координаты в системе XOY.

Человек достаточно хорошо воспринимает даже незначитель-

ные изменения формы, и потому динамика явления будет видна

очень хорошо.

2. Ожидаемая продолжительность жизни. Динамику средней про-

должительности жизни отобразим цветом. Выберем многоступен-

чатую шкалу (например, 100 ступеней цветов) так, чтобы каждый

уровень показателя обозначался одним цветом. В соответствии с

этим динамика продолжительности жизни в каждой стране ото-

бразится как достаточно непрерывное изменение ее цвета, что также

достаточно наглядно.

3. ВНП на ДУШУ населения. Для определения этого показателя

используем метод построения ЗЭ-пирамидальных блок-диаграмм.

Суть метода такова: пусть есть двухмерная карта стран (или иных

территориальных единиц), см. цв. вкл. 1. Для каждой страны (визу-

ально) выберем центр (X, У), и для него координатой Z будет

значение ВНП на душу населения в данной стране в данном году.

Все точки-узлы контуров страны будут иметь свои ЛТ-координа-

ты,

а координата Z у них будет равна нулю. Если после этого по

полученному массиву

Х>

Z построить трехмерную поверхность

и для облегчения ориентации «обклеить» («драпировать») ее ис-

ходной двухмерной картой, то увидим, что каждая страна превра-

тилась в «гору», основанием которой стала внешняя граница стра-

ны,

а высота пропорциональна картографируемому показателю

(в нашем случае — ВНП на душу населения). Исходной двухмер-

ной картой может быть как классическая политическая карта мира,

так и анаморфоза — статическая или динамическая. Необходимым

условием при этом является постоянство во времени координаты

вершины «горы» в каждой стране.

С учетом вышеизложенного были построены динамические пи-

рамидальные блок-диаграммы по ВНП, причем их вершины оста-

ются (в плане) на одном месте, а высота меняется со временем.

Форма и площадь основания этих «гор» зависит от численности

населения данной страны (динамическая анаморфоза). И одновре-

менно с этим каждая «гора» будет постоянно менять свой цвет — в

соответствии с продолжительностью жизни.

Для того чтобы сделать подобные изображения метричными,

значения показателей за каждый год можно просто подписать над

вершиной каждой из «гор». Можно также нанести на них линии

уровня. Размерность этого изображения очень высока. В самом деле,

статическое нераскрашенное изображение в данном случае являло

бы собой визуализацию некоей поверхности. Во времени изменя-

ются как высота гор, так и форма их основания, а также цвет.

Актуальные технические проблемы картографической анимации.

Передана данных по сети Интернет. Наибольшие сложности для

использования анимации возникают в сети Интернет. Передача го-

товой растровой анимации высокого разрешения с большим чис-

лом кадров по стандартным каналам связи практически невозможна

из-за большого объема данных и низкой пропускной способно-

сти,

что приводит к значительным финансовым затратам. Кроме