Стереоскопические
карты: актуальность и принципы создания
Мовчан Игорь
Борисович,
кандидат геолого-минералогических
наук, доцент кафедры геоэкологии,
Яковлева
Александра Анатольевна,
кандидат физико-математических
наук, доцент кафедры высшей математики.
Санкт-Петербургский государственный горный институт
(Технический университет).
В связи с развитием
методов интерпретации геолого-геофизических данных, ориентированных на
реконструкцию трехмерного образа геологического полупространства, в отечественной
сырьевой отрасли разрабатываются стандарты трехмерного картографирования. В
отличие от картирования здесь подразумеваются преимущественно камеральные
работы. Одна из основных проблем создания трехмерных карт состоит в
традиционном представлении Заказчику результатов геологоразведочных и поисковых
работ в форме бумажного отчета, набора аналоговых карт и комплекта разрезов.
Строго говоря, стандартная геологическая карта относится к четырехмерным
отображениям, поскольку, кроме привязки к географическим координатам, содержит
как элементы глубинных, так и временных реконструкций, восприятие которых
относится к профессиональным навыкам чтения карт. В работе с неискушенным в
геологии Заказчиком актуальна наглядность трехмерного отображения геологической
среды, к наиболее распространенной форме которого
можно отнести 3D
блок-диаграммы. Поскольку степень наглядности напрямую связана с
функциональными способностями соответствующей интерпретационной программы, то в
отечественной геолого-геофизической практике трехмерные образы рассматриваются
как дополнительный материал и распространения пока не получили.
Задача состоит в том,
чтобы трехмерные построения вывести в аналоговую плоскость, добавив к ним одну
из основных функций ГИС-систем - сопоставление разнородных геолого-геофизических
данных (картографических слоев, объемных распределений значений скалярных полей
и т.д.). Решение этой проблемы видится в применении технологии формирования
стереоскопических (анаглифных) образов, ориентированной на придание ощущения
рельефа исходно плоской картинке. С одной стороны, это способно инициировать
эффект виртуального присутствия в пространстве картинки, с другой, - обусловить
наглядное восприятие необученным глазом сложной, недетерминированной структуры
этой картинки. В практике зарубежных геологических служб подобные попытки
предпринимались в форме наложения на геологическую карту растрового слоя
стереоскопической визуализации рельефа земной поверхности, что преследовало в
основном иллюстративные цели.
Технология анаглифных
визуализаций отработана для рельефных представлений образов физических
трехмерных объектов. Она опирается на принцип восприятия глубины пространства: объект,
на котором фокусируются оба глаза, субъективно воспринимается как целостный
образ, тогда как образ объектов переднего и заднего плана воспринимается со смещением.
Чем дальше элемент переднего или заднего плана расположен от объекта фокусировки,
тем больше это смещение. В современной физике известен метод цветных анаглифов [1] как формирование стереоскопических
визуализаций посредством двух черно-белых изображений одного и того же объекта
(для разных глаз), составляющих стереопару, проецируемых на экран через
контрастные светофильтры, например, красный (для левого глаза) и зеленый (для
правого глаза). Раскрашенные таким образом составляющие стереопары накладываются
в плоскости экрана друг на друга с заданием их относительного сдвига,
называемого в фотометрии компенсационным. Результат наложения необходимо
рассматривать через анаглифные очки, в которых
положение светофильтров зеркально симметрично раскрашиванию компонент
стереопары: согласно приведенному выше примеру, правый светофильтр в очках –
красного, левый – зеленого цвета. Светофильтр одного из указанных цветов
частично или полностью подавляет компоненты анаглифного
изображения, окрашенного в другой цвет, и при разглядывании обоими глазами
через анаглифные очки наложенных указанным выше
образом компонент стереопары возникает эффект стерескопического
или псевдотрехмерного восприятия изображения. Такой принцип компоновки трехмерных образов
используют с XIX-го
века по наши дни, применяя для разных компонент стереопары не только разные части
спектра, но и разные плоскости поляризации светового потока,
распространяющегося от изображения к наблюдателю. В последнем случае левая и
правая линзы анаглифных очков представляют собой анализаторы с взаимно
перпендикулярными плоскостями поляризации. Применительно к геологии анаглифные образы получили распространение с развитием дистанционной
(аэро- и космической) съемки для наглядного представления
таких структурных элементов ландшафта как линеаменты.
Традиционно выделение
указанных структурных элементов представляет собой результат визуального
дешифрирования по системе эмпирических критериев, согласно которым линейный или
дуговой элемент ландшафта выделяется как сглаженный и протяженный объект,
объединяющий семейство одно-ориентированных
полутоновых перепадов, теневых форм в полутоновом муаре дистанционного фотообраза земной поверхности. Иными словами, линеаментом называют линеаризованный элемент ландшафта,
объединяющий его гетерогенные формы и маркирующий элементы дизъюнктивной
тектоники. Учитывая то, что указанные формы отвечают конкретным особенностям
дневного рельефа (перепадам абсолютных высот земной поверхности), их единовременное
фотографирование с борта одного и того же носителя под разными углами облегчают
выделение линеаментных форм необученным глазом.
Необходимость таких же
наглядных представлений структуры измеренных по площади геолого-геофизических
полей определило развитие нами анаглифной технологии
применительно не только к таким реальным трехмерным объектам, как земная
поверхность, обладающая дифференцированным рельефом, но и виртуальным
трехмерным объектам, таким как реконструированная поверхность потенциальных, квазипотенциальных и непотенциальных
полей. Под ними понимаем геолого-геофизические поля,
включающие грави-магнитное поля, поля концентраций
первичных и вторичных геохимических ореолов рассеяния, поля содержаний (в %)
тяжелых элементов, иными словами, любые скалярные поля, определенные инструментальным
способом как функции двух переменных (географических координат). Методически
анаглифная технология изменений не претерпела с той
разницей, что приемы физические стали приемами алгоритмическими. К ним относятся:
- получение квазинепрерывной виртуальной
поверхности из дискретно распределенных по площади данных инструментальных
измерений посредством подбора и реализации оптимального метода интерполяции;
- моделирование подсветки этой поверхности точечным гомоцентрическим
источником под азимутами, отличающимися на 180о, и с учетом
рассеяния по Ламберту отраженных поверхностью лучей. Цель подсветки - контрастирование структурных особенностей этой поверхности;
- поворот трехмерной виртуальной поверхности по отношению к плоскости
наблюдателя на 1-2 градуса для имитации разглядывания разными глазами. Расчет
матрицы поворота опирается на так называемую формулу Эйлера [2];
- наложение компонент стереопары со сдвигом одной из них в теплую,
другой - в холодную части спектра и формирование итогового анаглифного
образа, отвечающего анаглифным очкам соответствующей
конструкции (см. выше);
- использование анаглифного образа как
шаблона для придания рельефности картам, не подлежащим формализации, т.е. cодержащим семейство точечных,
линейных и площадных объектов, отражающих в основном результаты районирования
некоторой площади. Полупрозрачный анаглифный шаблон
привязывается к карте геологического, тектонического, минерагенического и пр.
районирований по системе пространственных реперов.
Перечисленные принципы
легли в основу авторской программы стереоскопической визуализации
геолого-геофизических полей, которая прошла апробацию в задачах:
- выявления рудоконтролирующих структур при дешифрировании материалов
спектрозональной съемки;
- верификации рудоконтролирующих структур на основании данных площадной
геохимической съемки.
Литература
1. Татаринов О. Третье измерение в фото- и видеосъемке//
КомпьютерПресс. – №5. – 2003. – 3 С.
2. Mase G. Continuum Mechanics. – 1995. – 250 С.
Поступила в редакцию 11.01.2010 г.