Автоматизация кадастровых работ

Наконец, на этапе рендеринга генерируются и передаются в буфер кадров пиксели необходимых цветов с учетом соответствующей затененности.

Сглаживание и кинематические эффекты. Одна из главных целей разработчиков 3D-технологий - обеспечить сглаживание изображения в масштабах всей сцены с помощью аппаратных средств ускорения. Такое явление, как ступенчатость воспроизводимых пространственных объектов, возникает, когда устройство отображения получает больше информации об объекте, чем в состоянии обработать. В результате вдоль границ, разделяющих многоугольники разных цветов, появляются зазубрины, наклонные линии становятся ступенчатыми. При сглаживании соседние пиксели смешиваются, что позволяет создавать плавные переходы.

Еще одна методика, разработанная специалистами Silicon Graphics, состоит в использовании так называемых буферов накопления (accumulation buffers). Когда несколько буферов заполняются, графическая микросхема выполняет сопряжение их содержимого, что позволяет придать изображению лучший вид.

Недавно фирма 3dfx ввела метод T-Bufler, который заключается в полноэкранном сглаживании. Эта технология позволяет использовать разнообразные кинематические эффекты, в том числе глубины резкости (depth of field) и размытости движущегося изображения (motion blur).

Отображение рельефности поверхностей (bump mapping). Этот прием состоит в наложении на объект специальной текстуры (bump map), в результате чего его поверхность выглядит более реалистично. Существует несколько способов его реализации, в том числе тиснение (emboss), рельефное отображение путем обработки точек (dot-product) и с помощью текстурных карт элементов сцены (environment-mapped bump mapping, EMBM).

Метод тиснения позволяет добиваться желаемой реалистичности изображения путем смещения текстур и не требует значительных ресурсов.

ЕМВМ - одна из технологий проработки деталей, реализованных в наборе расширений Direct X 6.0 и более поздних версий. При использовании этого метода поверхности, на которые свет падает под острым углом, отображаются корректно; кроме того, свет может быть полихроматическим.

Сжатие текстур. Повысить реалистичность отображения объектов можно и по-иному - используя текстуры с более высоким разрешением. Для сжатия текстур используется технология S3TC, благодаря которой 32-битная текстура размером 1024 х 1024 точек, для хранения которой обычно требуется 3 Мб памяти, умещается в 524 Кб.

Расчет преобразований и освещения. Недавно был запущен в производство разработанный фирмой nVidia модуль графической обработки GeForce. Рендеринг требует значительных вычислительных ресурсов, а пользователи хотят видеть реалистичные детали, а не имитации.

В рамках 3D-графики есть только один путь решения этой задачи: увеличить число многоугольников, из которых состоит изображение. Но для того чтобы воспроизводить сцены с увеличенным числом многоугольников, нужно избавить центральный процессор от обработки данных трехмерной графики. Эту задачу может выполнять акселератор - например новые микросхемы фирм nVidia и S3, позволяющие выполнять обработку T&L вычислений в 3 раза быстрее, чем процессор Pentium III с частотой 500 мГц. А если учесть, что наряду с обработкой графики у ЦП всегда есть и другая работа, его высвобождение позволяет увеличить число многоугольников в сцене примерно в 10 раз.

При комплектации рабочего места оператора САЗПР прежде всего возникает вопрос об аппаратных ресурсах графических станций. Современное программное обеспечение предъявляет к ним достаточно жесткие требования. Чтобы достичь максимальной производительности, необходим не только самый мощный на сегодняшний день процессор, но и высокие характеристики еще целого ряда подсистем. При работе с большинством САПР графическая станция производит три основных операции; рассмотрим их по порядку.

1.Загрузка ядра и модулей  системы. Все существующие САПР (.AutoCAD, archiCAD и др.) представляют собой структуры модулей, каждый из которых реализует ту или иную функцию. Чем больше модулей задействует пользователь, тем интенсивнее осуществляется обмен данными между жестким диском, оперативной памятью и процессором. Поэтому скорость работы станции напрямую зависит от пропускной способности системной шины.

2.Многократный пересчет  геометрических изменений модели; время, требуемое для этих операций, зависит от размера модели, которая  может занимать десятки и сотни  мегабайт дискового пространства. При пересчете модель «заканчивается»  в оперативную память и постепенно  пересчитывается процессором; здесь  производительность графической  станции в основном зависит  от мощности процессора.

3.Визуализация модели. Требование  сегодняшнего дня - трехмерное представление  модели в цвете и возможность  манипулирования ею в режиме  реального времени. Скорость этой  работы в основном зависит  от мощности графического ускорителя  и пропускной способности шины, связывающей его с оперативной  памятью.

Если обобщить указанные требования, можно сказать, что для любой графической станции важен прежде всего выбор процессора, графической и дисковой подсистем, графической и системной шин.

Традиционно лидерами среди производителей рабочих станций считаются SUN, SGI и DEC. В данное время (осень 2001 г.) это машины на базе Intel Pentium III, MIPS RISC процессоров, использующие операционные системы UNIX, Microsoft Windows NT/2000, Red Hat Linux. Их возможности определяются программным обеспечением, разработанным для данных платформ. Цена таких графических станций всегда была довольно высока.

В качестве альтернативного варианта можно использовать обычные персональные компьютеры с одним или несколькими процессорами Pentium III и мощной графической подсистемой. Такие станции несколько проигрывают в вычислительной мощности и не всегда обеспечивают достаточную производительность для решения особо сложных графических задач, однако имеют огромное преимущество в числе доступных приложений (поскольку используют «массовые» операционные системы Windows 9х, Windows NT/2000). Кроме того, их отличает не только гораздо более низкая цена, но и лучшее соотношение цена/производительность.

Среди множества графических подсистем можно выделить профессиональные графические ускорители ELSA, в том числе ELSA GLoria-Synergy, GLoria-L, GLoria-L/MX, GLoria-XL, GLoria-XXL, предназначенные для систем трехмерного моделирования и визуализации. Графические процессоры, стоящие на платах ELSA, те же, что на продуктах других поставщиков, но по результатам многочисленных тестов именно контроллеры ELSA оказались самыми быстрыми и надежными. Дело тут как в качестве изготовления (графы плат производятся на заводах в Европе и имеют защищенное качество), так и в собственных схемотехнических решениях, широком спектре драйверов, утилит и инструментальных средств. В своих платах фирма использует специализированный графический процессор серии Glint производства 3D Labs. При выводе на экран трехмерной модели производится растеризация - построение растрового изображения на основе информации о модели. Именно этот процесс нуждается в наибольшей аппаратной поддержке. Кроме того, на графической плате должен быть геометрический процессор, манипулирующий трехмерными объектами. Необходимо обеспечить двойную буферизацию видеопамяти для хранения информации о третьей координате для каждой точки изображения (пикселе) Z-буфера и информации о текстурах. Увеличение информации о текстурах вызывает уменьшение видеопамяти, что снижает разрешение и глубину цвета, поэтому в моделях ELSA GLoria-L, ELSA GLoria-L/MX, ELSA GLoria-XL/XXL имеется раздельная видео- и 3D -память. Необходимое условие качественной визуализации - высокое разрешение и поддержка режимов TrueColor/HighColor. Еще одна задача, которая была решена разработчиками фирмы ELSA, - сделать контроллеры GLoria пригодными для широкого круга приложений. Для этого контроллеры поддерживают интерфейс OpenGL, позволяющий эффективно работать с такими 3D-системами, как AutoCAD, Autodesk Inventor, Autodesk Mechanical Desktop, 3D Studio MAX/VIZ, и многими другими; имеется специальный HEIDI- драйвер для работы с программами 3D Studio МАХ/ VIZ и AutoCAD 2000.

Значительную долю общей производительности графической станции составляет производительность дисковой подсистемы (комплекса, состоящего из контроллера жесткого диска, интерфейса и самого диска). На сегодняшний день в основном используются два типа интерфейса - SCSI (по-русски читается «скази») и UltraATA. Преимущества SCSI - гибкость, универсальность, каскадируемость, возможность подключения до восьми устройств (дополнительные винчестеры, CD-ROM, сканеры и т.д.), помехоустойчивость и самая высокая скорость передачи данных (до 1600 Мб/с). Однако из-за дороговизны самого интерфейса и соответствующих устройств его нужно применять исключительно в тех случаях, когда это действительно необходимо. Стандарт UltraATA обеспечивает меньшую скорость передачи данных (до 66 Мб/с) и нагрузку до 4 устройств, но зато гораздо дешевле. Что касается объема жесткого диска, то здесь критерий один - чем больше, тем лучше. Помимо графических модулей, которые требуют достаточно большого объема дискового пространства, сами проекты трехмерных моделей порой занимают сотни мегабайт на винчестере.

Немаловажное значение имеет также объем оперативной памяти. При работе с 3.D-графикой он должен быть достаточно большим (от 128 до 512 Мб), чтобы не снизить производительность всей системы. Хотя в современных операционных системах нехватка физической памяти компенсируется так называемой виртуальной памятью, которая автоматически выделяется на дисковом накопителе, операции переброски данных на жесткий диск и обратно сильно снижают производительность всей системы.

При создании нового проекта часто возникает проблема использования уже накопленной архивной документации. На сегодняшний день широко используются два основных способа ввода графической информации - ручной и автоматизированный.

Ручной ввод осуществляется при помощи дигитайзера (рис.2) - устройства, напоминающего кульман. Это «электронная доска», имеющая стандартный формат (от А4 до А0), а вместо рейсшины с карандашом - устройство указания (курсор). Последний представляет собой небольшую панель с кнопками и визиром, имеющим электромагнитную связь с полем дигитайзера. При помощи такого устройства можно как «скалывать» старые чертежи, так и создавать новые. Существуют различные типы дигитайзеров: с подсветкой рабочего поля, со стандартным полем, с прозрачным полем. Курсоры также имеют различные формы и выпускаются с 4, 16 и более кнопками.

Точность дигитайзеров колеблется от сотых до десятых долей миллиметра. Точная «сколка» может применяться при различных работах, в том числе в землеустроительной картографии. Принято считать, что основную погрешность при ручной оцифровке вносит оператор (приблизительно 0,5 мм). Эту погрешность пытаются снизить, применяя специальные средства (увеличительные линзы-насадки на визир курсора, подсветку рабочего поля при помощи специального короба с флуоресцентными лампами, специальные курсоры с подсветкой визира). Существуют также дигитайзеры с пером, чувствительным к нажиму, подобным обычному карандашу (чем сильнее нажим, тем толще линия). Их обычно используют художники-дизайнеры при создании эскизов.

Существует несколько типов сканеров - ручные, планшетные, барабанные и протяжные. Ручные сканеры непригодны для профессиональной работы ввиду малой точности и низкой производительности. Планшетные сканеры небольшого формата (обычно от А4 до А3) используются для ввода в компьютер текстовой (пояснительные записки и т. п.) и графической информации - небольших схем, фотографий, слайдов (при наличии слайд-адаптера). Планшетные сканеры большого формата применяют в полиграфии высокого уровня; стоят они очень дорого (сотни тысяч долларов). Барабанные сканеры также используются в полиграфии, а также там, где требуется повышенная точность ввода (например, в картографии). Их главный недостаток - большое время сканирования. Для ввода чертежной документации сейчас все чаще используют протяжные сканеры; они имеют лучшее на сегодняшний день соотношение цена/производительность. Точность таких устройств вполне достаточна для многих приложений.

Сам принцип сканирования основан на преобразовании обычного изображения в растровую форму (то есть его представлении в виде большого числа точек). После сканирования для последующей работы часто бывает необходимо растровую информацию преобразовать в векторную (набор линий). Для этого используют специальные программы - векторизаторы.

Основные характеристики сканеров - разрешение (оптическое и программное), точность, наличие адаптивного порога, типы выходных файлов. Для цветных сканеров важны также глубина цвета и динамический диапазон.

Разрешение сканера показывает, каким количеством точек на дюйм (dot per inch, dpi) будет описываться изображение. Следует различать оптическое разрешение, определяемое качеством оптики (считывающей камеры) сканера, и программное, которое превышает оптическое в 1,5-2 раза, что достигается путем добавления к «считанным» точкам дополнительных. Это позволяет получать сглаженные линии и плавные переходы при сканировании полутоновых изображений.

Точность сканера во многом определяется механизмом считывания информации и измеряется в процентах от длины заданного отрезка.

Наличие адаптивного порога позволяет сканировать сильно загрязненные материалы, в том числе синьки, выделяя полезную информацию. Этим параметром обладают протяжные широкоформатные сканеры компаний CONTEX и VIDAR. Так, сканеры серии FSC имеют формат АО, максимальную ширину бумаги 1016 мм (40"), максимальную ширину поля сканирования 914 мм (36"); длина не ограничена. Сканируется 24 бита RGB, 8/4 bit Paletted color. Простая цветовая калибровка осуществляется с помощью стандартных таблиц ANSI IT8, допускается автоматическое или ручное построение цветовой палитры, встроенный модуль JetStream (кроме модели 3010) обеспечивает высококачественное копирование на цветной плоттер в процессе сканирования. Копирующие сканеры имеют дополнительные возможности прямого копирования на плоттер (репрография).

Все современные модели сканеров имеют в комплекте поставки очень развитое программное обеспечение, позволяющее получать выходные файлы самых различных растровых форматов - TIFF, PCX, JPEG, GIF и др. Их используют в зависимости от целевого назначения файла. Если нужно сохранять растровые изображения с компрессией и практически без потери качества, лучше всего подходит формат TIFF.

Глубина цвета характеризует максимальное число оттенков, которое может передавать сканер. Единицей измерения здесь служит количество бит цветовой информации на точку растрового изображения; обычно это 24, 36 или 48 бит (глаз человека может воспринимать около 17 млн цветов, что соответствует глубине цвета 24 бит).

Динамический диапазон сканера определяет качество воспроизведения ярких элементов и различимость деталей в темных участках изображения.