Architecton: Proceedings of Higher Education №2 (30) June, 2010

Theory of architecture

INTERACTIVE VISUALIZATION OF LARGE-SCALE URBAN PROJECTS IN REAL TIME

УДК: 72.01+681.3
Шифр научной специальности: 85.110+32.97

Abstract

Трёхмерная графика реального времени на сегодняшний день эффективно применяется во многих предметных областях. Мощность компьютерных вычислений позволяет обрабатывать достаточно сложные сцены в режиме реального времени без потери скорости и качества отображения.

Эти возможности привели к появлению интереса к трехмерной визуализации со стороны специалистов из различных сфер деятельности. Так, в области архитектуры и градостроительства виртуальные здания с прогулками по помещениям и виртуальные города находят все более широкое применение. Фотореалистичная реконструкция объектов позволяет на этапе проектирования эффективно работать с заказчиком, использование 3D моделей в процессе обучения, в музейных, реставрационных, рекламных, коммерческих проектах также является современным и перспективным.

Особое значение 3D технология приобретает в задачах интерактивного проектирования инженерных подсистем в системах автоматизации, именуемых умный дом (smart house). Систем, которые позволяли бы пользователю увязать на экране отдельные компоненты, а затем на основе имитационной модели отобразить поведение объекта в целом, в настоящее время нет. Подобный проект в настоящее разрабатывается [1-3]. Одним из существенных компонентов этой системы является модуль трехмерного отображения с динамической подгрузкой модели требуемого уровня детализации. Описанию концепции этого модуля посвящена данная работа.

На сегодняшний день нет единого подхода к визуализации в реальном времени сложных крупномасштабных объектов. Сцены с подобными объектами могут содержать сотни миллионов полигонов, которые должны обрабатываться за приемлемое время. В силу того, что ресурсы компьютера ограничены, сцены могут воспроизводиться с потерей качества и скорости регенерации экрана. Для преодоления этих проблем требуются специализированные программные средства. Нашей целью было выработать подход к решению подобных задач и реализовать его в виде программной системы.

Еще одним перспективным приложением 3D визуализации является создание базы данных объемных архитектурных объектов, относящихся к потенциально опасным, социально значимым и объектам с массовым пребыванием людей для нужд МЧС России. Именно на этом примере мы и рассматриваем создаваемый модуль динамического отображения, подчеркивая тем самым его универсальность – возможность применения в самых разных предметных областях.

В службах МЧС существует потребность в разработке базы данных федерального уровня вышеназванных объектов, которая будет опираться на региональные компоненты. Ряд трехмерных моделей для каталогизации в базе данных в настоящее время разрабатывается студентами специальности «Прикладная информатика в архитектуре». Наличие трехмерных моделей позволит изучать виртуальные объекты по слоям, отключая стены, этажи, коммуникации для составления соответствующих планов мероприятий. Требуются также динамические модели для отображения процесса развития ситуации. Сформулированы следующие требования к содержанию моделей.

Трехмерная модель должна включать компоненты:
• ситуационную площадную объектовую модель;
• общую модель объекта и прилегающей территории;
• поэтажную (уровневую) модель.

Кроме того, необходимо включить:
• подъездные пути к объекту;
• 3D модели всех зданий и сооружений на территории объекта;
• технологическое оборудование (отдельно для каждого вида);
• должны быть сформированы слои (с возможностью включения/отключения) для всех структурных элементов объекта;
• должна быть представлена модель наиболее опасного сценария развития ЧС на объекте с возможностью включения/отключения слоев.

Общая модель объекта и прилегающей территории должна включать:
• места размещения опасных веществ и материалов;
• места размещения на территории объекта сил и средств нейтрализации, тушения, локализации распространения опасных веществ и материалов;
• места размещения аварийного запаса по обеспечению электроэнергией, водой, сжатым воздухом, ацетиленом, кислородом, ГСМ и другими ресурсами;
• места расположения пожарных гидрантов с привязкой к входам зданий и сооружений;
• места расположения естественных и искусственных открытых водоемов, артезианских скважин, резервуаров.

Требования к степени детализации моделей объектов и местности:
• в модели должны присутствовать дверные, оконные и прочие проемы и проходы;
• в модели должны присутствовать внутренние капитальные и прочие конструкции, определяющие геометрию внутреннего пространства объекта (стены, перекрытия, ниши, выступы);
• модель внешней территории объекта должна содержать изолинии рельефа, условные обозначения подъездных путей, заборов, ворот и прочих проходов.

Вот неполный список требований, предъявленных к пространственной модели. Мы видим, что при учете даже не всех перечисленных требований получается модель такой сложности, что визуализация в реальном времени без разработки соответствующего инструментария затруднительна.

Итак, модуль трехмерной визуализации должен обеспечивать интерактивность, в отличие от большинства присутствующих в CAD-системах средств отображения моделей. Поскольку модуль является компонентом системы автоматизации [1-3], требования к модели формулируются ,исходя из общего контекста.

1. Интеграция – модель должна учитывать максимально возможное количество различных аспектов функционирования объекта автоматизации.
2. Интерактивность – модель должна поддерживать взаимодействие с пользователем и своевременно реагировать на его действия.
3. Реалистичность – модель должна как можно точнее имитировать восприятие пользователем моделируемого объекта.
4. Наглядность – характеристики функционирования модели должны представляться в виде, удобном для восприятия пользователем.

Специфические требования к инструментарию:

1. Перенос частей модели из других систем с сохранением всех необходимых характеристик.
2. Эффективное соединение частей модели в единое целое.
3. Имитация функционирования модели.
4. Визуализация функционирования модели.
5. Взаимодействие пользователя с моделью.

В настоящее время существует значительное количество программных и аппаратных средств поддержки визуализации в реальном времени [4]. Объекты для визуализации представляются в виде общепринятых каркасных полигональных моделей с описанием характеристик поверхности для каждого фрагмента. Существующие аппаратные средства поддерживают гибкую модель представления этих характеристик на основе алгоритмов (shaders). Существуют высокоуровневые программные библиотеки, позволяющие описывать структурно сложные объекты визуализации с использованием иерархического объектно-ориентированного подхода (scene graphs). Разработаны и реализованы методы, позволяющие выполнять фотореалистичную визуализацию сложных объектов в условиях ограниченных ресурсов, основанные на приемах адаптивной детализации (level of detail) и динамической загрузки компонентов модели (streaming). Совместное применение вышеописанных методов позволяет решать задачу интерактивной визуализации комплексной модели с использованием широко доступных вычислительных средств.

Использование низкоуровневых графических библиотек (OpenGL, Direct3D) сопровождается большим количеством дополнительной работы, которую нужно сделать, прежде чем получится готовый к применению продукт. Более эффективным является применение высокоуровневых программных библиотек, использующих иерархическую объектно-ориентированную модель для представления модели и манипулирования ею.

Анализ инструментов реализации, так называемых графических движков (graphics engines), использование которых существенно упрощает процесс создания приложений, позволяя разработчику сосредоточиться на программе в целом и уделить больше внимания качеству и эффективности разработки, показал, что лучше применять комплексные системы. Это системы библиотек и инструментов, на базе которых можно создавать законченный продукт. Достаточной функциональностью обладает открытая библиотека OGRE 3D (Object-Oriented Graphics Rendering Engine) – объектно-ориентированный графический движок с открытым исходным кодом, написанный на C++ [5, 6]. Большую популярность он получил за счет гибкости, что позволяет интегрировать его с другими библиотеками.

Преимуществами являются:

• поддержка платформ Windows, Linux и Mac OS;
• скриптовая система управления материалами;
• экспортеры для основных коммерческих и свободных пакетов 3D моделирования;
• система управления ресурсами.

Основная идея нашего визуализатора заключается в том, что в зависимости от параметров визуализации степень детализации индивидуальных фрагментов модели может меняться, при этом существенно не отражаясь на качестве изображения. Данная технология управления детализацией известна разработчикам трехмерных компьютерных игр и стала основой для предлагаемого решения.

Алгоритм программы построен таким образом, что отображаемая геометрическая модель динамически меняется, то есть количество полигонов, качество текстуры и уровень сглаживания не статичны. Мы строим динамическую систему с интеллектуальным алгоритмом кэширования, направленным на то, чтобы изображение, которое видит пользователь, было достаточно близко к тому, которое бы получилось при визуализации полной модели, удовлетворяя при этом временным ограничениям. Интеллектуальность алгоритма определяется тем, что при загрузке программа автоматически определяет, какое количество оперативной памяти можно использовать и другие необходимые параметры. На основании этих данных также автоматически подбирается режим, в котором программа будет работать. Возможность разных режимов работы с разным уровнем детализации позволит использовать программу на персональных компьютерах с различной конфигурацией.

Программа следит за всем, что происходит на экране и подстраивается под текущую ситуацию, распределяя ресурсы и адаптируя модель. При таком подходе с использованием не просто трехмерной модели, а адаптируемой трехмерной модели мы можем говорить о возможности визуализации в реальном времени достаточно сложных сцен.

Таким образом, мы адаптировали технологию отображения сложных сцен к визуализации крупномасштабных урбанистических объектов в реальном времени на обычном компьютере без предъявления дополнительных требований к его производительности. Такая технология подходит для решения целого класса задач, поэтому ее результаты могут найти широкое практическое применение.

References

1. Байгозин Д.В. Разработка принципов интеллектуального управления инженерным оборудованием в системе «Умный дом» / Д.В. Байгозин, Д.Н. Первухин, Г.Б. Захарова. // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – №5. Управление, вычислительная техника и информатика. – С.168-172.

2. Baygozin D.V., Zakharova G.B., Mamaev A.V. 3D-Interactive Visualization of Subsystems in a “Smart House” / D.V. Baygozin, G.B.Zakharova, A.V. Mamaev // Proceedings of the 11th international workshop on computer science and information technologies. CSIT’2009, Crete, Greece, 2009. – P. 132-135.

3. Байгозин Д.В. Концепция интегрированной системы автоматизации проектирования и моделированияинженерного оборудованиия зданий [Электронный ресурс] / Д.В. Байгозин, Г.Б. Захарова, В.Б. Плотников // Современные проблемы информатизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникациях: мат. I междунар. науч. интернет-конф. – 2009. – Режим доступа: http://news.emind.ru/conference/show/507 .

4. Ламот А. Программирование трехмерных игр для Windows. Советы профессионала по трехмерной графике и растеризации / А. Ламот. – Вильямс, 2006. – 1424 с.

5. OGRE [Электронный ресурс] / Официальный сайт. – Режим доступа: http://www.ogre3d.org 

6.Junker G. Pro OGRE 3D Programming / G. Junker. – New York: Apress, 2006. – 312 р.

Citation link

Grednev A.V., Plotnikov V.Yu., Zakharova G.B. INTERACTIVE VISUALIZATION OF LARGE-SCALE URBAN PROJECTS IN REAL TIME [Online] //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2010. – №2(30). – URL: http://archvuz.ru/en/2010_2/6 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная