PROGRAMSKI PAKET ZA 3D PREDSTAVU TERENA Simić Mirko, Radovanović Slobodan ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET U BEOGRADU

Transcription

1 PROGRAMSKI PAKET ZA 3D PREDSTAVU TERENA Simić Mirko, Radovanović Slobodan ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET U BEOGRADU I UVOD U procesu projektovanja radio komunikacionih sistema potrebno je poznavati geografske karakteristike terena koji se želi pokriti signalom određenog kvaliteta. Posebno su značajne informacije o optičoj vidljivosti između dve kote, ili, ako ona ne postoji, o broju i vrsti prepreka na putu signala. Otuda je, u procesu planiranja ovih sistema, pogodno posedovati baze podataka o visinama terena na području koje je projektantu od interesa. Takođe je, radi potrebe vizualizacije, pogodno posedovati baze podataka geografskih karata željenog područja. Time se otvara mogućnost za kreiranje programskog paketa za trodimenzionalnu predstavu terena, što je i bio cilj ovog rada. Time se proces planiranja radio komunikacionih sistema u mnogome uprošćava jer projektant, pre izlaska na teren, može da stekne utisak o geografskim osobinama terena koji mu je od interesa i tako izbegne eventualne greške u početnoj fazi projektovanja. II STRUKTURA PROGRAMA Programski paket za 3D predstavu terena je aplikacija napisana u programskom jeziku MATLAB. Sastoji se iz niza operacija nad bazama podataka koje omogućavaju trodimenzionalnu predstavu željenog dela terena uz interaktivno podešavanje elemenata i parametara samog prikaza. Da bi program mogao da radi, potrebno je imati tri stvari: izvršnu verziju programa, bazu podataka sa nadmorskim visinama terena i bazu podataka sa skeniranim kartama. WWWWWWW Rad sa programom će biti objašnjen kroz dve odvojene celine, koje su osnova njegove strukture. Rad na 2D karti Na samom početku se otvara dijalog-prozor kojim se u memorijskom prostoru računara alociraju potrebne baze podataka. Zatim se otvara polazni prozor, sa kartom Srbije, gde počinje aktivan rad na odabiru teritorije za 3D predstavu. Meniji pridruženi ovom prozoru su: Opcije (sa podmenijima Restart programa, Markiranje i Kraj programa, pri čemu Markiranje omogućava postavljanje markera crvene boje na proizvoljnu tačku mape), Podešavanje (sa podmenijima Rezolucije, gde je moguće podesiti rezoluciju baze visina na 5x5 [m], 50x50 [m] i 100x100 [m] i forsirati trenutnu razmeru karte na kojoj se radi: 1:25000, 1:500000, 1: , i Putanje, gde je moguće ponovo podesiti putanje do baza), Povratak (sa podmenijima na pocetnu mapu i na prethodnu mapu, koji praktično obavljaju dezumiranje i restart programa, pri čemu je naročito korisna prva mogućnost koja olakšava kretanje kroz karte) i Info (sa podmenijima Uputstvo i Verzija). Tokom rada na 2D nivou vrši se zumiranje i pozivanje potprograma za 3D predstavu. To se jednostavno obavlja odabirom željenog dela karte i aktiviranjem jedne od tri funkcije iz menija koji se tom prilikom otvori. Slika 1 : Izgled komandnog prozora sa 2D kartom Prva je Zumiranje, koja obavlja zumiranje odabranog dela karte, s tim što se dimenzije tog dela karte eventualno automatski proširuju naniže ili nadesno do razmere 4:3 da bi se postiglo usaglašavanje sa veličinom prozora. Takođe, ukoliko veličina odabranog dela terena postane dovoljno mala, kroz zumiranje se ujedno vrši i prelazak na detaljniju razmeru karte. Druga je Reljef sa teksturom gde se poziva potprogram koji obavlja isecanje reljefa i prikaz sa ''nalepljenom'' teksturom tj. trenutnim izgledom karte. Poslednja funkcija je Reljef bez teksture koja poziva potprogram koji obavlja isecanje reljefa i prikaz, ali bez teksture. Poslednje dve komande otvaraju novi prozor sa 3D predstavom, međutim aktivan ostaje i prozor sa 2D kartom, tako da se neke radnje uvek mogu ponoviti (na primer, selektovati novi deo karte čija se 3D prestava želi). Rad na 3D modelu Osnovni zadatak softvera je 3D predstava terena i tu postoje dve mogućnosti: reljef sa teksturom i reljef bez teksture. Meniji pridruženi prozorima sa ovim modelima su: Opcije (sa podmenijima: Mapa Srbije, za povratak na rad sa kartama; Markiranje, za stvaranje kupastog 3D objekta koji predstavlja antenski stub na markiranom mestu i Ugasi prozor), Boja (sa podmenijima: Marker gde se nalazi lista ponuđenih boja markera, i Pozadina sa podešavanjem boje pozadine), Visina (sa podmenijima: Reljef, gde se podešava relativna visina reljefa u odnosu na veličinu odabranog dela terena iz razloga da se vertikalni efekti ne utope u velikoj površini, ili da ne dođe do preteranog isticanja ako je, pak, površina mala; mogućnosti su: 1:1:100, 1:1:40, 1:1:20, 1:1:10, 1:1:5 i 1:1:1; i Marker, gde se podešava visina markera, koji može biti Visok, Normalan i Nizak), Svetlo (sa podmenijima: Osenčeno i Neosenčeno, a ovo su korisne komande kada je

2 bitna vidljivost markera, jer marker u punoj meri postaje vidljiv tek kada se isključe svetlosni efekti) i Info (sa podmenijima: Uputstvo i Verzija). III ALGORITAM Na sledećoj slici je prikazan algoritam na osnovu koga je realizovan programski paket za 3D predstavu terena: Slika 2 : Izgled 3D predstave terena sa istaknutim delom kojem nedostaju podaci iz baze visina Operacije nad 3D prikazom sa teksturom su ''siromašnije'' od operacija nad 3D prikazom bez teksture zbog ograničenja MATLAB-ovog pogona za grafičku obradu po pitanju svetlosnih efekata. Moguće su sledeće operacije: zumiranje i dezumiranje, okretanje modela po vertikali i horizontali, startovanje i eventualno zaustavljanje animacije (napomena: animacija najlepše izgleda ako se izvodi nad reljefom sa teksturom u razmeri 1:25000, a njen izgled zavisi od stepena zumiranosti 3D objekta u trenutku startovanja animacije) i unošenje brojeva koji predstavljaju koordinate (u procentima širine i dužine isečenog dela terena, računato od donjeg levog ugla slike) tačke koja treba da se fokusira. Operacije nad 3D prikazom bez teksture su grupisane i vizuelno deluju bolje uređene nego kod prikaza sa teksturom. Osim prethodno pomenutih operacija postoje i podešavanje materijala za model reljefa i podešavanje pravca nailaska svetlosti. Rotacija mišem je najkorisniji (i najlakši) deo rada sa 3D objektom, jer se tu jednostavnim manipulisanjem mišem nad objektom (click&drag) podešava pozicija objekta. Ako je to značajno korisniku, u donjem levom uglu ekrana se nakon jedne rotacije objekta pojavljuju trenutne koordinate (azimut i elevacija) korisnika u odnosu na objekat. Rotacija mišem je automatski aktivirana otvaranjem prozora sa 3D modelom. Slika 3 : Uprošćeni algoritam programa Rešenja ključnih problema Realizacija zumiranja i dezumiranja: problem sa ovim bitnim i zahtevanim funkcijama ovog programa je bio čisto algoritamske prirode. Trebalo je smisliti način kako da se pamte situacije unazad za dezumiranje i kako da se formira nova zumirana slika. Za dezumiranje je logično bilo da se situacije stavljaju u niz (pod situacijom se podrazumeva slika i parametri koji su za nju vezani). Kako MATLAB ne podržava obične nizove matrica, upotrebljene su cell strukture za pamćenje sadržaja. Utvrđeno je da su dovoljna dva cell-a za funkcionisanje zamišljenih operacija: cell sa slikama i cell sa koordinatama odabranog dela teritorije. Dezumiranje je praktično samo vraćanje na prethodni element ovih nizova. Predstavljanje reljefa: problem je pripremiti na pravilan način matrice podataka (iz rasterske baze i baze visina) koje daju podršku 3D predstavi terena. Da bi se postigli željeni efekti sa položajem posmatrača i pravilnim oblikom reljefa,

3 potrebno je ove matrice usaglasiti. Potrebno je i podesiti odnos visine modela prema njegovim dimenzijama u horizonatalnoj ravni, što je koristan efekat u predstavljanju enormno malih ili enormno velikih površina. IV BAZE PODATAKA Baze podataka koje su predmet obrade ovog programskog paketa su rasterska baza SRJ, u nekoliko različitih razmera, i baza podataka Digitalni model terena za celokupno područje Republike Srbije. U obradu su bili uključeni i odgovarajući ''index'' fajlovi koji sadrže georeference za svaki od binarnih fajlova u ove dve baze podataka. Rasterska baza SRJ Rasterska baza SRJ data je u formi binarnih fajlova koji u potpunosti odgovaraju Microsoft Windows BMP formatu (256 boja). Podaci koje sadrže fajlovi ove baze predstavljaju zapis slike tipa indexed image, tj. pikseli slike predstavljeni su celobrojnim vrednostima u bazi podataka koji predstavljaju pokazivače na vrednosti boja koje se čuvaju u tzv. kolormap matrici. Sa tri njene kolone specificirane su vrednosti crvene, zelene i plave komponente boje na slici. U okviru ''index'' fajla ove baze podataka definisane su georeference za svaki binarni fajl baze tj. njegovo ime (sa putanjom do fajla), granice površine teritorije pokrivene podacima iz jednog fajla i relativni nivo detaljnosti baze. Baza Digitalni model terena Format baze Digitalni model terena odgovara u potpunosti standardnim formatima po kojima se baze ovog tipa prave u svetu. Preciznije rečeno, jedan podatak u bazi predstavlja maksimalnu vrednost visine terena u okviru cele elementarne površine teritorije čije su dimenzije specificirane u okviru odgovarajućeg ''index'' fajla baze podataka. Sadržaj ''index'' fajla ove baze podataka analogan je sadržaju ''index'' fajla rasterske baze podataka. Geografski sistem u kojem su date obe baze podataka je Gaus-Krueger-ov koordinatni sistem za zonu 7, kojoj pripada teritorija naše zemlje. Upravljanje bazama podataka Upravljanje bazama podataka svodi se na obradu podataka sa ciljem dobijanja izlaznih fajlova koji se prosleđuju programskom paketu za trodimenzionalnu predstavu terena. U tu svrhu napisana su u MATLAB-u dva funkcijska potprograma: prvi koji vrši obradu rasterske baze SRJ i drugi za obradu podataka baze Digitalni model terena. MATLAB je izabran jer ima pogodne alate za obradu podataka matričnog tipa i prikaz istih. Matrični tip podatka, koji je osnovna struktura u MATLAB-u, pogodan je za prezentaciju slika i trodimenzionalni prikaz podataka, što je bio cilj. Funkcijski potprogram za obradu rasterske baze SRJ, kao ulazne promenljive dobija podatke koje korisnik interaktivno definiše u odgovarajućim menijima programskog paketa za 3D predstavu terena. To su razmera karte u kojoj želi da posmatra neki deo teritorije (postoje ponuđene vrednosti 1:25000, 1: i 1: , a mogu se doradom programa dodati i druge baze), i koordinate granica teritorije koja je od interesa i koja se takođe interaktivno zadaje u okviru glavnog programa za 3D predstavu terena. Na osnovu ovih podataka potprogram pristupa odgovarajućoj bazi podataka i iz njenih fajlova ''iseca'' podatke koji su potrebni za predstavu slike terena i slaže ih u izlaznu matricu podataka za predstavu slike tipa indexed image. Nju prosleđuje programskom paketu za 3D predstavu terena. Predviđena je i mogućnost da neki od binarnih fajlova baze podataka nedostaju pa se na njihovo mesto postavljaju matrice jedinica koje taj deo teritorije predstave u jednoj boji. Ovde treba naglasiti da postoji mogućnost da se obrađuju najviše četiri ''susedna'' fajla baze podataka, što je određeno mogućnostima računara da obrađuje suviše velike matrične promenljive, ali to ne umanjuje mogućnosti posmatranja 3D predstave relativno velikih površina terena u različitim razmerima. Kod upravljanja bazom Digitalni model terena cilj je dobiti podatke o visinama terena poređane u matricu i to za deo terena koji je korisniku od interesa. Uz pomoć nje se slici dobijenoj iz rasterske baze dodaje treća dimenzija. Program za obradu ove baze, na osnovu geografskih koordinata odabranog dela terena otvara binarne fajlove odgovarajuće rezolucije (dimenzije elementarne površine za koju je dat podatak o visini) i željenih georeferenci, i iz njih izvlači podatke potrebne za ''ugrađivanje'' treće dimenzije posmatranom delu terena, slažući ih u izlazne matrice podataka koje prosleđuje programskom paketu za 3D predstavu terena. Pri tome, podaci iz ove matrice korespondiraju sa podacima matrice podataka iz rasterske baze. I ovde je predviđena mogućnost da nedostaje neki od binarnih fajlova baze podataka pa se tu izlazna martica podataka o visinama inicijalizuje tako da je taj deo teritorije vidno istaknut ravan i postavljen na 200 m nadmorske visine. Treba napomenuti još i to da se ulaskom u programski paket za 3D predstavu terena aktiviraju odgovarajući dijalogprozori za navigaciju kroz memorijski prostor računara u cilju nalaženja potrebnih baza podataka pri čemu se putanje do istih snimaju i čuvaju u odgovarajućim promenljivim, tako da se ovaj korak traženja baza može preskočiti posle prve instalacije i upotrebe programskog paketa, tj. do trenutka kada se podaci smeste na neko drugo mesto u memoriji računara. Slika 4 : Interfejs za traženje baza podataka

4 Formiranje samostalne aplikacije Da bi ovaj programski paket mogao da bude samostalna aplikacija izvršeno je kompajliranje MATLAB fajlova. U tu svrhu korišćen je MATLAB kompajler koji prevodi programske m-fajlove u C++ kod, i uz prisustvo biblioteka matematičkih i grafičkih funkcija formirana je samostalna aplikacija. Ovim se postižu tri osnovna cilja: Programski paket za 3D predstavu terena razvija se u MATLAB okruženju koristeći prednosti njegovih matematičkih i grafičkih funkcija, a sa druge strane, formirana samostalna aplikacija ne zahteva od korisnika da na svom računaru ima instaliran MATLAB da bi se program mogao pokrenuti. Skriva se izvorni algoritam MATLAB-ovim m- fajlovima svako može da pristupi i menja im sadržaj, a formiranjem samostalne aplikacije to se sprečava. Ubrzava se izvršavanje programa jer se kompajlirani kod brže izvršava od ekvivalentnih m-fajlova. To u ovom slučaju nije bilo od preterane koristi jer su korišćene složene matematičke i grafičke operacije nad glomaznim matričnim promenljivim. Za ove potrebe korišćen je MATLAB kompajler (verzija 2.1) instaliran u MATLAB 6 / Release 12 okruženju, kao i BORLAND C++ kompajler (verzija 5.2). Ovako dobijena aplikacija je 32-bitna i može se pokrenuti na Windows 95/98/2000 i Windows NT sistemima. Iz iskustva autora ovog rada pokazalo se da samo ukoliko je instaliranje kompajlera izvedeno u potpunosti i ako u sistemu postoje sve potrebne biblioteke matematičkih i grafičkih funkcija, formiranje samostalne aplikacije se može izvršiti bez problema, za nekoliko minuta. U suprotnom, proces kompajliranja se ne može uspešno privesti kraju. Poštovanjem ovih preporuka dobijen je izvršni fajl koji predstavlja samostalnu C++ aplikaciju programskog paketa za 3D predstavu terena. LITERATURA [1] Matlab 6 / Release 12, The Language of Technical Computing [2]Uputstvo za upravljanje rasterskom bazom SRJ [3]Uputstvo za upravljanje bazom podataka Digitalni model terena Zahvalnica: Autori se zahvaljuju mr Jeleni Ćertić i dr Aleksandru Neškoviću, asistentima na Elektrotehničkom fakultetu u Beogradu, na pruženoj stručnoj pomoći u toku izrade ovog programskog paketa. Abstract: In this paper is presented software for 3D terrain visualisation, based on using appropriate data bases, which can make planning of radio systems easier. The power of MATLAB's mathematics and graphics functions are used for handling large matrix variables and their visual representation. At the end, the ability of compiling m-files is used to create a stand-alone application in order to assure using of this program without MATLAB's background. SOFTWARE FOR 3D TERRAIN VISUALISATION, Simić Mirko, Radovanović Slobodan V ZAKLJUČAK Realizacija programskog paketa za 3D predstavu terena predstavlja pokušaj njegovih autora da se da doprinos olakšanju procesa projektovanja radio komunikacionih sistema. Tu se pre svega misli na početnu fazu projektovanja, koja podrazumeva potrebu projektanta da stekne utisak o geografskim osobinama terena koji treba pokriti nekim radio servisom. Zahvaljujući ovom programskom paketu to je omogućeno i bez neposrednog izlaska na teren. Ovom programskom paketu se mogu dodati nove baze podataka sa drugim razmerama karata i višim nivoima detaljnosti za bazu visina, za šta su već razrađeni mehanizmi. Povezivanjem sa drugim programskim paketima za projektovanje radio-komunikacionih sistema može se dobiti pogodan alat za projektovanje istih uz prikaz rezultata proračuna.

5