6.5.1. ТРЕНАЖЕР ДЛЯ ИМИТАЦИИ ПОЛЕТА НАД РЕАЛЬНОЙ МЕСТНОСТЬЮ

Возможности машинной графики позволяют решать проблемы имитации полета на самолете над реальной местностью, что необходимо как для обучения летчиков ориентированию в неизвестной для них обстановке, так и для автоматической навигации летательных аппаратов при беспилотной посадке.

При моделировании геометрических форм на реальной местности можно выделить три класса образований: рельеф в виде тонкой изогнутой или изломанной поверхности; постройки трехмерной формы и растительность типа массива леса или отдельных деревьев, трехмерными формами которых нельзя пренебречь. Соответственно каждому из этих образований присущи специфические оптические свойства. Местность покрыта "узором" дорог, полей, озер, которые в свою очередь имеют определенные индикатрисы рассеивания, коэффициенты яркости и другие признаки. Исследования [36] показывают, что большинство покрытий природного происхождения можно считать диффузными отражателями и соответственно охарактеризовать единственным параметром - коэффициентом яркости , где  - координаты местности в системе координат сцены. Коэффициент яркости меняется с течением времени, что связано с деятельностью человека (распашка полей, строительство дорог), вегетативной деятельностью растений (сброс листвы) и выпадением, таянием снегов. Оптические характеристики построек можно также считать близкими к диффузным и достаточно стабильными. Лесные массивы кроме сезонных изменений отражательных свойств характеризуются и наличием теней, что также следует учитывать.

Теоретически возможно создать полную математическую модель местности и построек, а затем методами машинной графики синтезировать изображение сцены в текущих условиях наблюдения и освещения. Такое изображение может быть использовано не только в видеотренажерах, но и в качестве эталонного при распознавании образов. Однако построение модели будет тогда исключительно трудоемким, а время синтеза недопустимо большим. При относительно плоской местности имеется возможность значительно сократить вычислительную емкость задачи из-за использования планового фотоизображения самой местности.

Основная идея такого решения заключается в следующем. Модель сцены представляют в виде однородной по отражательным свойствам плоскости и трехмерными конструкциями зданий, расположенных на этой плоскости. В заданных условиях наблюдения (модель ракурса) и освещения (модель Солнца) производится отслеживание (трассирование) каждого визирующего луча (см.рис.6.5.1). Если луч "видит" трехмерный объект, то вычисление освещенности видимой точки осуществляется по правилу , где  - максимальное значение освещенности, достигаемое на изображении белой диффузно отражающей поверхности с коэффициентом яркости, равным единице, и с нормалью к поверхности, направленной на источник света - Солнце;  - коэффициент яркости поверхности;  - угол между нормалью к видимой поверхности объекта и направлением на Солнце.

Рис. 6.5.1. Изображение построек и рисунка покрытий на местности методом трассирования лучей

Если же луч визирования "видит" поверхность местности в точке , то освещенность рассчитывается с учетом действительной отражательной способности, информация о которой извлекается из фотографии местности: , где  - коэффициент яркости местности;  - высота стояния Солнца [36].

Пользуясь расчетными формулами освещенности для диффузного объекта, возможно восстановление значения  по всей сцене на основании анализа аэрофотографии района. Так как на фотографии запечатлена не собственно освещенность, а производная величина - оптическая плотность, то требуются дополнительные расчеты с корректными данными для перехода от оптической плотности к освещенности и коэффициенту яркости.

Исходную аэрофотографию "оцифровывают" (рис.6.5.2), представляя в виде матрицы коэффициентов яркости, координатно наложенной на местность. Если размер изображения в масштабе местности составляет  единиц измерения, а число строк  и столбцов , на которые разбивают исходное изображение, где строки располагаются вдоль оси , то номер элемента матрицы,  в которую упал луч визирования, можно определить следующим образом: ; , где  - координаты пересечения визирующего луча с плоскостью местности.

Рис. 6.5.2. Преобразование фотоизображения местности

Так как отдельные участки местности на исходной фотографии могут быть затенены падающими тенями, то для участков информация о коэффициенте яркости местности должна быть извлечена из снимка, сделанного при другом местном времени, когда исследуемый участок не затенен.

Таким образом, общее решение задачи сводится к следующему. Предварительно на район имитационного полета получают несколько разновременных аэрофотоизображений. С помощью этих изображений определяют коэффициент яркости местности, разбитой на отдельные участки, в пределах которой яркость считается постоянной. С помощью информации со снимков определяют геометрические формы и размеры зданий и создают математическую модель трехмерных конструкций в системе координат сцены. Помещают поле, геометрически соответствующее матрице коэффициентов яркости, в систему координат сцены. В каждой позиции наблюдения определяют трассирование лучей через рецепторы и центр проекции до пересечения со сценой. При пересечении луча с объектом освещенность определяется на основании коэффициента яркости видимой поверхности объекта, при пересечении луча с поверхностью местности сначала определяется номер элемента матрицы коэффициентов яркости местности, а затем вычисляется освещенность на основании содержания этого элемента матрицы. При этом может быть достигнута проработка освещенности затененных участков местности.

Высокочастотное геометрически и оптически корректное моделирование площадных объектов на поверхности Земли представляет значительную сложность и требует больших трудозатрат. Например, известны концепции моделирования и соответствующая трудоемкость описания современного города с плотной застройкой [106]. Работа выполнялась с целью создания видеоимитатора, в том числе для архитектурного проектирования. Вся сцена города Глазго разбивалась на три составляющие: поверхность Земли, сеть дорог и трехмерные здания. Формы поверхности Земли вводились путем оцифрования данных с карты в масштабе 1:10000 на площади 64 кв.м. Все дороги были оцифрованы в виде единого изображения, причем предполагалось, что они все лежат в одной плоскости. Затем этот узор дорог "опускался" на поверхность Земли, порождал комбинацию рельеф - дороги. Наибольшую трудность по вводу исходных данных представили трехмерные здания. В центре города площадью 6 кв. км сосредоточено около 2500 зданий. Их плановые формы извлекались из аэрофотографий, а высоты определялись по теням из анализа стереоизображений и проектной документации. Ввод данных производился практически вручную, что вылилось в трудозатраты около 1 чел./г. Трехмерная модель здания накладывалась на модель Земли и дорог, создавая полную модель сцены.

Имитаторы, использующие принцип трассирования лучей, работают сравнительно медленно, поэтому их реализация возможна только на суперЭВМ или многопроцессорных комплексах.

Метод сканирующей строки является наиболее эффективным для получения изображения объектов, составленных из многоугольников. Подавляющее большинство искусственных сооружений допускает достаточно простую интерпретацию плоскостями. Например, практически все здания современных городов представлены многогранниками.

Рассмотрим вопросы моделирования фотоподобных изображений плоского ландшафта с расположенными на нем трехмерными зданиями. Предварительно на район местности получают несколько плановых фотоизображений с различными направлениями падающих теней (рис.6.5.3,а,б).

Рис. 6.5.3. Преобразование фотоизображений для синтеза картины методом сканирующей строки

Затем в интерактивном режиме средства цифровой обработки изображений из нескольких исходных плановых изображений создают одно бестеневое (рис.6.5.3,в) путем локального замещения затененных участков освещенными. В соответствии с требуемыми условиями наблюдения и освещения, как это требуется для имитации обзора сцены, бестеневое изображение (рис.6.5.3,в) подвергают геометрическому трансформированию [30] и фотометрической коррекции (рис.6.5.3,г). В результате создаются изображения, отличающиеся от требуемого только искажениями изображений трехмерных объектов и теней от них. По исходным фотоизображениям, другим перспективным фотоизображениям создают модель трехмерных объектов сцены (рис.6.5.3,д) - многоугольников и многогранников, при этом высотные размеры зданий определяют по теням, по перспективным изображениям вертикальных стенок и стереометодом [30]. В требуемых условиях наблюдения и освещения, которые были уже однажды использованы для трансформирования, методом сканирующей строки строят синтезированное изображение (рис.6.5.3,е) трехмерных объектов, отдельно храня участки изображений объектов с собственными тенями и участки падающих теней. Так как изображения (рис.6.5.3,г,е) порождены при одних и тех же условиях, то они геометрически совпадают, и задача сводится к их комбинированию. Последнее производится путем замещения участков мощности участками изображений объектов с собственными тенями и понижением яркости изображения местности в зонах падающих теней. После такого комбинирования достигается окончательный результат (рис.6.5.3,ж).

На рис. 6.5.4-6.5.6 приведены результаты компьютерного моделирования изображений застройки на фоне конкретной местности. Изображения на рис. 6.5.4 и 6.5.5 получены методом трассирования лучей с использованием процедур, приведенных в приложении. Эта сцена использовалась на практике для прогнозирования места размещения планируемой ТЭС и устройства коммуникаций. Третья сцена (рис. 6.5.6) получена методом сканирующей строки. Технология ее производства включает следующие этапы: получение аэрофотоизображения, определение формы зданий и их высот, интерактивное удаление изображений зданий с оцифрованного аэрофотоизображения, построение математической модели зданий, создание модели сцены из зданий и естественного ландшафта, компьютерное моделирование синтезированного изображения. На практике последняя сцена использовалась для анализа радиовидимости системы сотовой связи, при этом анализировалось не изображение, а объемная модель.

Рис. 6.5.4. Синтезированное изображение местности и предприятия (ракурс № 1)

Рис. 6.5.5. Синтезированное изображение местности и предприятия (ракурс № 2)

Рис. 6.5.6. Синтезированное изображение местности и построек