ВИРТУАЛЬНЫЙ ГЛОБУС: ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОСТЬ
А.Е. Бобков1, А.В. Леонов2
1Московский физико-технический институт (МФТИ)
2Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН (ИИЕТ РАН)
Содержание
2. Предыстория развития виртуальных глобусов
3. Виртуальные глобусы в виде законченных приложений
4. Программные библиотеки для создания виртуальных глобусов
5. Виртуальные глобусы для браузера
6. Процедурная генерация объектов на виртуальных глобусах
7. Визуализация подземных данных
Список используемой литературы
Аннотация
В статье рассматривается история развития виртуальных глобусов – от первых прототипов до современного программного инструментария, позволяющего создать свой виртуальный глобус каждому желающему. Во ведении кратко рассмотрены сходства и отличия виртуального глобуса от своих предшественников и аналогов – обычных глобусов и глобусов на основе сферических проекционных экранов. Показано, что прообразы виртуальных глобусов появляются в литературе и компьютерных играх с начала 1990-х гг., а первые прототипы – в виртуальных энциклопедиях в конце 1990-х гг. (Encarta Virtual Globe компании Microsoft, 1998 г., и 3D World Atlas компании Cosmi Corporation, 1999 г.). Показано, что стремительное развитие виртуальных глобусов в начале 2000-х гг. было обусловлено тремя факторами: созданием графических процессоров для видеокарт (начиная с Ge Force 256 в 1999 г.), запуском коммерческих спутников с фотокамерами высокого разрешения (ICONOS в 1999 г. и QuickBird в 2001 г.), и радикальным ростом скорости сетей связи (40 Гбит/с на канал в коммерческих волоконно-оптических системах связи в 2002 г.). Анализируются основные этапы развития виртуальных глобусов: законченные приложения (NASA World Wind, 2004 г.; Google Earth, 2005 г.; Microsoft Virtual Earth, 2006 г. и др.), программные библиотеки (NASA World Wind Java SDK, 2007 г.; osgEarth, 2008 г. и др.), браузерные версии (Google Earth plugin, 2008 г.; Cesium, 2012 г.), внедрение технологий процедурной генерации для повышения визуальной реалистичности поверхности при крупном масштабе просмотра (проекты Outerra, Proland, Biosphere3D и др.). Приведены примеры современного использования виртуальных глобусов, включая отечественные проекты: визуализация природной территории со сложным рельефом, визуализация орбит космических аппаратов, визуализация подземных геофизических данных. В заключении обсуждаются возможности дальнейшего развития технологий виртуальных глобусов, в частности, использование персональных электронных устройств как массива распределенных датчиков (GPS-приёмников, фото- и видеокамер) для непрерывного автоматического уточнения и обновления виртуальных глобусов.
Ключевые слова: виртуальный глобус, OpenGL, WebGL, процедурная генерация, подземные данные, история
1. Введение
Виртуальный глобус – это мультимасштабная цифровая 3D-модель Земли, а также интерактивное программное обеспечение для синтеза изображения этой 3D-модели или её фрагмента на экране монитора [1].
«Предком» виртуального глобуса является традиционный глобус, то есть сфера с нанесенным на неё изображением поверхности Земли, рис. 1. Такие сферы создавались ещё до нашей эры. В частности, по свидетельству Страбона, глобус был создан ок. 150 г. до н.э. Кратетом Малльским: «…тот, кто желает ближе всего подойти к истинной форме земли с помощью искусственных моделей фигур, должен изобразить землю в виде шара, наподобие шара Кратета… необходим большой шар, для того чтобы… на нем ясно поместились соответствующие части обитаемого мира, а зрителям представилась привычная его картина... лучше всего, конечно, если возможно, построить шар соответствующего размера. И пусть он будет не меньше 10 футов в диаметре» [2]. Старейшие из сохранившихся до настоящего времени глобусов относятся к кон. XV – нач. XVI вв.: это глобус Бехайма (1492 г.), «глобус из страусиного яйца» (ок. 1504 г.), глобус Ханта-Ленокса (ок. 1503-1507 гг.), Ягеллонский глобус (ок. 1510 г.) и др.
Рис. 1. Глобус Мартина Бехайма – “Erdapfel” («Земное яблоко»). Фото – Vitold Muratov, 2009.
По сравнению с плоскими картами, традиционные глобусы обладают как преимуществами, так и недостатками. Основные недостатки традиционных глобусов, по существу, ясны уже из описания Страбона: это их мелкий масштаб и большой физический размер; к ним следует добавить также неудобство измерений. В то же время, на глобусе отсутствуют картографические искажения, свойственные мелкомасштабным картам, и он значительно более нагляден и удобен для визуального восприятия Земли в целом.
В компьютерную эпоху в дополнение к традиционным глобусам (которые по-прежнему применяются, например, в учебном процессе), возникли две новые технологии: интерактивные глобусы на основе сферических проекционных экранов, и виртуальные (цифровые) глобусы.
Глобусы на основе сферических экранов развиваются, по меньшей мере, с начала 2000-х гг. При этом изображение, предварительно искажённое соответствующим образом, проецируется на сферический экран через линзу типа «рыбий глаз». Это позволяет визуализировать на сферическом экране не только изображение поверхности Земли, но и процессы, происходящие на Земле и вблизи её поверхности (например, атмосферные и гидросферные явления, движение литосферных плит, изменения магнитного поля и т.п.). Изображение на сферическом экране можно легко менять, что делает такие глобусы отличным учебным пособием в школах [3], рис. 2. В то же время, из-за физических ограничений на размер сферического экрана (который на практике не превышает нескольких метров) интерактивные глобусы на основе сферического экрана обладают теми же недостатками, что и традиционные «статичные» глобусы.
Рис. 2. Интерактивный глобус на основе сферического проекционного экрана. Фото из архива ГЦ РАН, 2011 г.
Виртуальный глобус, в отличие от традиционных глобусов и сферических экранов, не имеет ограничений, связанных с физическим размером экрана. Виртуальный глобус – это цифровая 3D-модель, которая хранится в памяти компьютера; любой фрагмент этой модели может быть отображён на плоском экране компьютерного монитора или другого персонального электронного устройства (планшетного компьютера, смартфона и т.п.) в любом требуемом масштабе. Выполнение измерений на виртуальном глобусе намного удобнее, чем на традиционном глобусе, т.к. соответствующие функции могут быть реализованы непосредственно в графическом интерфейсе пользователя, рис. 3. Благодаря этим, а также другим преимуществам (таким, как широкие возможности визуализации внутреннего устройства Земли и околоземного пространства) виртуальный глобус является перспективной технологией, постепенно вытесняющей традиционные глобусы.
Рис. 3. Измерение расстояния на виртуальном глобусе Google Earth.
2. Предыстория развития виртуальных глобусов
В 1990-е гг. компьютеры были ещё недостаточно мощными для интерактивной визуализации сложных 3D-моделей. В 1992 г. был опубликован научно-фантастический роман «Лавина» Нила Стивенсона, в котором он описал универсальный интерфейс для доступа к данным, названный им «Земля». Этот интерфейс позволял просматривать данные, связанные с любой точкой нашей планеты, в том числе трансляцию со спутников в реальном времени [4]. Интересно, что этот роман вдохновил Дэна Гордона, одного из создателей виртуального глобуса Google Earth [5]. Прототипы виртуальных глобусов можно встретить во многих компьютерных играх начала 1990-х гг., рис. 4.
Рис. 4. Виртуальный глобус в игре X-COM: UFO Defense (1994 г.)
В конце 1990-х гг. были созданы и выпущены на мировой рынок интерактивные энциклопедии Encarta Virtual Globe (Microsoft, 1998 г.) и 3D World Atlas (Cosmi Corporation, 1999 г.), которые позволили просматривать цифровой 3D-глобус в мелком масштабе с разными покрытиями, рис. 5-6. Это были мультимедийные приложения, где глобус сочетался с разнообразной энциклопедической информацией о странах мира. Разрешение текстур было невысоким, поэтому они помещались на обычные CD-диски. Однако для полноценного виртуального глобуса по-прежнему не хватало производительности компьютеров и данных более крупного масштаба.
Рис. 5. Encarta Virtual Globe (1998 г.).
Рис. 6. 3D World Atlas (1999 г.).
Интересно, что 31 января 1998 г. вице-президент США Альберт Гор произнес речь «Цифровая Земля: понимание нашей планеты в XXI веке», в которой он предложил создать «Цифровую Землю» — приложение, которое должно включать все увеличивающееся количество геоданных, быть подсоединено к базам данных и знаний всего мира и обеспечить лучшее описание и понимание окружающего мира и человеческой деятельности [6].
На рубеже тысячелетий произошел рывок в развитии нескольких важных технологий, которые открыли дорогу широкому развитию и внедрению виртуальных глобусов [7]:
1) Появились видеокарты, оснащенные графическими процессорами. В качестве «первого графического процессора» компанией Nvidia широко рекламировался процессор GeForce 256, официальный релиз которого состоялся 11 октября 1999 г. Графический процессор в видеокартах позволил разгрузить центральный процессор и ускорить работу с полигональными 3D-моделями.
2) Были запущены коммерческие спутники с высоким пространственным разрешением: ICONOS (0,82 м на пиксель при панхроматической съёмке, 1999 г.) и QuickBird (0,61 м на пиксель при панхроматической съёмке, 2001 г.). Это позволило получить спутниковое покрытие практически всей территории Земли с высокой детализацией. В 2000 г. была выполнена радарная интерферометрическая съёмка поверхности земного шара, в результате чего создана общедоступная цифровая модель рельефа 85% территории Земли с пространственным разрешением 90 м на пиксель (NASA SRTM, 2003-2005 гг.).
3) Радикально возросла скорость передачи данных в сетях связи. Канальная скорость в коммерческих волоконно-оптических системах связи достигла 10 Гбит/с в 1995 г., и 40 Гбит/с – в 2002 г. [8]. При этом уже к 2000 г. по одному оптическому волокну стало возможно передавать до ста независимых каналов на разных длинах волн благодаря технологии спектрального уплотнения (DWDM). Развитие высокоскоростных сетей связи позволило пользователям получать спутниковые данные, необходимые для виртуального глобуса, в реальном времени с серверов в интернете.
Эти новые технологии привели к созданию виртуальных глобусов в привычном нам понимании. В развитии виртуальных глобусов с 2001 г. по настоящее время можно выделить несколько основных этапов: 1) виртуальные глобусы в виде законченных приложений, 2) программные библиотеки для создания виртуальных глобусов, а также виртуальные глобусы для браузера, 3) развитие технологий процедурной генерации 2D/3D-объектов и их использование в программном инструментарии виртуальных глобусов.
3. Виртуальные глобусы в виде законченных приложений
Первое поколение виртуальных глобусов было ориентировано преимущественно на просмотр спутниковых снимков. В 2001 г. свой виртуальный глобус начала разрабатывать компания Keyhole. Позже она была куплена компанией Google, а созданный ей виртуальный глобус выпущен на мировой рынок в 2005 г. под названием Google Earth, рис. 7. Примерно в это же время свои виртуальные глобусы выпустили NASA (NASA World Wind, 2004 г.), рис. 8, и Microsoft (Microsoft Virtual Earth, 2006 г.).
Рис. 7. Один из наиболее популярных виртуальных глобусов: Google Earth.
Рис. 8. Виртуальный глобус NASA World Wind 1.4.0 (14.02.2007).
Особенностью всех этих программных продуктов было то, что они обладали узким набором функциональных возможностей. По существу, они предлагали пользователю лишь просмотр спутниковых снимков, размещённых на интернет-серверах производителей. Их было нельзя расширять, усовершенствовать, добавлять свои типы данных и интегрировать с другими приложениями. По-видимому, это и привело в итоге к закрытию проектов NASA World Wind и Microsoft Virtual Earth.
До настоящего времени существует лишь виртуальный глобус Google Earth, в основном благодаря возможности свободного обмена геоданными с другими программными продуктами с использованием открытого формата KML (Keyhole Markup Language). В то же время, исходный код Google Earth закрыт, и у него нет программного интерфейса (API)[1], что ограничивает его развитие.
Как дополнительная функция, отображение данных на виртуальном глобусе было поддержано в некоторых традиционных ГИС. Например, в девятой версии ArcGIS (2004 г.) один из дополнительных модулей – ArcGIS 3D Analyst – включал в себя приложение ArcGlobe, обеспечивающее отображение растровых и векторных данных на мультимасштабном виртуальном глобусе. Это приложение и сегодня входит в состав ArcGIS 3D Analyst, практически с той же базовой функциональностью.
Отметим, что простые виртуальные глобусы в виде составной части законченных приложений создавались и отечественными разработчиками [9].
4. Программные библиотеки для создания виртуальных глобусов
Опыт использования виртуальных глобусов достаточно быстро показал, что спектр их возможных применений очень широк, и реализовать все возможные функции в рамках одного законченного приложения практически невозможно. Поэтому начали появляться программные библиотеки для самостоятельного создания виртуальных глобусов и встраивания их в различные приложения. Были созданы десятки таких библиотек, среди которых можно выделить NASA World Wind Java SDK (2007 г.) и osgEarth (2008 г.).
Эти библиотеки позволяют внедрять возможности виртуального глобуса в другие приложения. Они «берут на себя» генерацию глобуса с использованием данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), позволяя пользователям самостоятельно подключать любые типы и источники данных, а также разрабатывать собственные приложения для анализа данных на основе глобуса.
Например, одна из наиболее популярных таких библиотек – osgEarth (http://osgearth.org/). Это инструментарий с открытым исходным кодом для рендеринга рельефа и данных на рельефе виртуального глобуса, написанный на C++ и выпущенный под лицензией LGPL. osgEarth основан на OpenGL и является надстройкой над графическим инструментарием OpenSceneGraph. Соответственно, osgEarth работает на любых операционных системах, которые поддерживают OpenGL, включая мобильные iOS и Android. Его можно использовать для разработки собственных приложений, либо для интеграции виртуального глобуса в существующие приложения.
Например, нами разработано приложение на основе osgEarth для визуализации природной территории со сложным рельефом, а также местоположения различных объектов на ней, рис. 9 (в 2010-2012 гг. работа была поддержана проектом РФФИ № 10-07-00407-а) [10]. В 2012-2013 гг. создано приложение на основе osgEarth для визуализации орбит космических полётов, рис. 10-11 (в рамках проекта РФФИ № 11-07-00781-а) [11].
Рис. 9. Пример визуализации природной территории со сложным рельефом на виртуальном глобусе на основе osgEarth.
Рис. 10. Визуализация движения космической станции «Мир» по орбите с использованием виртуального глобуса на основе osgEarth.
Рис. 11. Визуализация орбит группировки спутников GPS с использованием виртуального глобуса на основе osgEarth.
Одно из основных отличий osgEarth от NASA World Wind Java SDK заключается в том, что исходные растровые данные для построения рельефа не обязательно заранее обрабатывать. osgEarth может работать с «сырыми» данными и генерировать рельеф динамически во время работы приложения. В то же время, предобработка данных может ускорить этот процесс. Генерируемый рельеф автоматически кэшируется, что позволяет ускорить работу приложения при последующих запусках.
Основные возможности osgEarth такие же, как и в WW Java SDK: загрузка изображений поверхности Земли и карт высот из разных интернет-источников по протоколам WMS, WCS, TMS; использование локальных данных; чтение векторных форматов файлов (KML, shape file); визуализация векторных данных (точки, линии, полигоны); визуализация 3D-моделей и аннотаций. Добавить графический интерфейс пользователя (GUI) можно либо с помощью фреймворка Qt, либо с помощью встроенной библиотеки виджетов.
Конфигурировать глобус osgEarth можно либо в коде на C++, либо с помощью специального файла в формате XML. В этом файле указываются пути к слоям изображений, карт высот, пути к файлам с векторными данными. Можно задавать стили в формате CSS для векторных данных в зависимости от их атрибутов. Также для этих целей можно использовать JavaScript.
Как и все современные виртуальные глобусы, osgEarth может разбивать большие массивы векторных данных на тайлы с уровнями детализации (LoD – Level of Details) и подгружать их при приближении к поверхности глобуса. Авторы osgEarth разработали протокол Tile Feature Service (TFS) для быстрой подгрузки таких данных в osgEarth.
Отметим, что в 2011 г. вышла монография «3D Engine Design for Virtual Globes» [12], полностью посвященная вопросам разработки приложений с использованием виртуальных глобусов. В ней рассматриваются основные вопросы и задачи, которые возникают при разработке глобусов: системы координат, математика эллипсоида, проблема точности и дрожания (jittering), рендеринг векторных данных на глобусе, рендеринг рельефа. Также в 2011 г. вышел специальный выпуск журнала Computers & Geosciences — «Virtual Globes in Science», полностью посвящённый виртуальным глобусам [13].
5. Виртуальные глобусы для браузера
Примерно в то же время, что и программные библиотеки для разработки виртуальных глобусов, начали появляться виртуальные глобусы, работающие в браузере. Одним из первых стал Google Earth plugin (2008 г.), реализованный в виде плагина для браузера. В отличие от своего «старшего брата» Google Earth он обладал важной особенностью: возможностью управления данными на глобусе с помощью скриптов на языке Javascript. Это позволяло пользователям, например, создавать в браузере собственный графический интерфейс для управления отображением данных. Однако NPAPI, технология создания плагинов для браузеров, обладала рядом недостатков, и браузеры начали отказываться от неё. В 2014 г. проект Google Earth plugin был закрыт.
С начала 2010-х гг., начала внедряться новая технология 3D-визуализации в браузерах – WebGL. Следует отметить, что реализация веб-приложений, обеспечивающих интерактивную демонстрацию 3D-моделей, долгие годы сдерживалась отсутствием единого стандарта (технологии) представления 3D-графики для браузеров. В 2011 г. была представлена спецификация WebGL, которая в течение нескольких лет была поддержана почти всеми популярными браузерами: Mozilla Firefox, Google Chrome, Safari, Opera. В ноябре 2013 г. поддержка WebGL была реализована и в наиболее массовом браузере Internet Explorer. Официальный релиз Internet Explorer 11 с поддержкой WebGL вышел 7 ноября 2013 г., таким образом, WebGL стал де-факто стандартом представления 3D-графики в Интернете без использования плагинов. Соответственно, появилось несколько новых программных библиотек для создания виртуальных глобусов, основанных на WebGL, самой популярной из которых на сегодняшний день является Cesium (2012 г.), рис. 12.
Рис. 12. Демо-версия виртуального глобуса Cesium с покрытием ESRI World Street Map.
Программный инструментарий Cesium позволяет использовать различные источники данных (WMS, TMS, WMTS, Bing Maps, Mapbox, Google Earth Enterprise, OpenStreetMap, ArcGIS MapServer), отображать на глобусе различные векторные данные (подписи, метки, линии, полигоны и другие), читать форматы векторных данных KML, GeoJSON, TopoJSON, отображать 3D-модели, атмосферу, солнце, луну, звезды. Есть своя библиотека виджетов для управления глобусом и данными, модули для проведения математических расчетов, поддержка визуализации теней.
6. Процедурная генерация объектов на виртуальных глобусах
Детализация спутниковой фотосъёмки поверхности Земли, используемой в современных виртуальных глобусах, не превышает 0,5 м на пиксель, а детализация цифровой модели рельефа – на 1-2 порядка меньше (например, NASA SRTM – 30 м/пиксель для территории Северной Америки, и 90 м/пиксель для других территорий). Дальнейшее увеличение детализации поверхности Земли на виртуальном глобусе возможно за счет применения данных авиационного ДЗЗ (аэрофотосъёмки, воздушного лазерного сканирования – LiDAR) или наземного лазерного сканирования для отдельных, представляющих наибольший интерес участков (например, центров крупных городов). Однако высокая стоимость этих технологий (по сравнению с космическим ДЗЗ) существенно ограничивает возможности получения таких данных. Кроме того, реалистичное представление поверхности Земли в крупном масштабе невозможно без размещения на цифровой модели подстилающего рельефа цифровых 3D-моделей объектов – зданий и сооружений, транспортной инфраструктуры, растительности и др.
Для создания метрически точных крупномасштабных цифровых моделей рельефа и 3D-моделей реальных объектов необходимо применение дорогостоящих методов лазерного сканирования, фотограмметрии, ручного моделирования по чертежам и фотографиям. Для точного расположения 3D-моделей на местности применяются методы привязки по спутниковым снимкам, методы наземной геодезии. Таким образом, внедрение на поверхность виртуального глобуса метрически точных 3D-моделей реальных объектов возможно, но имеет существенные финансовые и технические ограничения.
К счастью для разработчиков, требования к точности соответствия виртуального глобуса и реальной территории в практических применениях существенно различаются для различных участков и разных типов объектов. Поэтому оказывается возможным разделить задачи метрической точности и детализации элементов сцены. Далеко не все объекты, расположенные на местности, требуется моделировать и размещать метрически точно; многие элементы необходимы лишь для создания эффекта визуальной реалистичности и могут быть смоделированы с той или иной степенью условности. Некоторые из таких объектов должны быть точно размещены на подстилающем рельефе (здания, дорожная сеть), для других не требуется даже точность размещения (растительность).
Для создания условных 3D-моделей объектов с высоким уровнем детализации могут применяться методы процедурной генерации: создание 3D-моделей объектов (домов, дорог, деревьев) и текстур с помощью специальных алгоритмов. Такие 3D-модели и текстуры могут создаваться заранее либо «на лету» непосредственно в процессе работы программного обеспечения виртуального глобуса на компьютере пользователя [14].
В качестве основы для процедурной генерации могут использоваться векторные карты, растровые аэро- и космоснимки. С использованием методов процедурной реконструкции можно сделать грубый рельеф более подробным и детальным (например, добавив неровности рельефа – овраги, скалы, барханы и т.п.), разместить реалистичные спрайтовые или трёхмерные модели деревьев в лесных массивах (например, на основе векторных карт растительности), автоматически сгенерировать 3D-модели зданий и дорог с разметкой и дорожной инфраструктурой (например, на основе 2D-контуров на векторных картах) и т.д. При этом нет необходимости постоянно хранить полученные 3D-модели, при необходимости их можно сгенерировать заново. Это позволяет ускорить сетевую работу с моделью территории: по сети достаточно передавать только исходные данные.
Визуализацию 3D-модели территории с использованием методов процедурной генерации можно рассматривать как отображение топографической карты с помощью специальных (трёхмерных) условных знаков. В картографии существует понятие «генерализации», обозначающее процесс отбора и обобщения объектов карты для отображения на более мелких масштабах. Процедурную 3D-реконструкцию территорий можно рассматривать, как обратный процесс, т.е. «детализацию» карты.
Процедурная реконструкция позволяет обеспечить высокую детализацию и визуальный реализм территории на поверхности виртуального глобуса, эту детализацию можно варьировать в зависимости от производительности аппаратного обеспечения. На сегодняшний день, применение процедурной генерации является основной тенденцией развития виртуальных глобусов. Активно развиваются технологии автоматического построения 3D-моделей домов как с помощью фотограмметрии по данным ДЗЗ и фотопанорамам, рис. 13, так и на базе векторных ГИС-данных; технологии реалистичной визуализации больших массивов деревьев, рельефа, воды. Наибольших успехов в этой области достиг проект Outerra (начат в 2008 г.), который в итоге был использован для создания военного симулятора, рис. 14-15. Есть также несколько исследовательских проектов, например, Proland и Biosphere3D.
Рис. 13. Дома в Google Earth, сгенерированные автоматически с помощью фотограмметрии.
Рис. 14. Поверхность виртуального глобуса Outerra в максимальном приближении.
Рис. 15. Авиационный тренажёр на основе виртуального глобуса Outerra.
На сегодняшний день, программный инструментарий Outerra обладает впечатляющими возможностями по процедурной генерации. Трехмерный рельеф детализируется с помощью фрактальных алгоритмов, добавляются камни, скалы; рельеф подстраивается под дорожную сеть (в нужных местах выравнивается). Рельеф можно динамически деформировать: добавлять кратеры, воронки от взрывов. Процедурно генерируется растительность: деревья, кустарники, трава. Учитывается карта биомов: разные виды деревьев растут на разных территориях. Поддерживаются различные визуальные эффекты: реалистичное атмосферное рассеяние, моделирование воды, динамические тени.
7. Визуализация подземных данных
Виртуальный глобус может применяться для визуализации разнообразных научных данных, в том числе подземных (например, сейсмических). Хотя визуализация объектов ниже поверхности земли не поддерживается большинством популярных виртуальных глобусов, есть успешные реализации в рамках отдельных исследовательских проектов [15].
При использовании полупрозрачного глобуса, разные подземные и наземные объекты начинают накладываться друг на друга, что затрудняет восприятие данных. Для того чтобы визуально разделить группы объектов между собой, необходимо специальным образом настроить порядок и режимы их отрисовки. Важную роль при этом играет поддержка стереоскопического режима отображения, т.к. при этом существенно упрощается визуальное разделение групп объектов, расположенных на разном расстоянии.
Отображение разных видов сейсмических данных в едином контексте на базе глобуса позволяет анализировать зависимости между данными. Например, комплексная визуализация сейсмических данных, связанных с вулканической активностью, может быть дополнена показом геологических моделей (границы тектонических плит, структуры очага и каналов) и анимацией извержений. Движение магмы к земной поверхности сопровождается роями землетрясений, изменениями скоростей распространения сейсмических волн под вулканическим комплексом. Согласованный показ всех этих данных дает возможность комплексного анализа динамики процесса.
Рис. 16. Визуализация геофизических данных с сайта USGG (каталоги гипоцентров землетрясений [16] и форма зон субдукции [17]) на полупрозрачном глобусе.
Рис. 17. Пример визуализации результатов сейсмической томографии на полупрозрачном глобусе (по данным И.Ю. Кулакова, ИНГГ СО РАН).
8. Заключение
Есть 2 точки зрения на дальнейшее использование и перспективы виртуальных глобусов: романтическая и прагматичная.
Романтическая точка зрения описана в романе Нила Стивенсона – это создание единой актуальной глобальной базы данных о нашей планете, включающей рельеф, леса, дороги, адреса, организации, события и т.д. Однако, на сегодняшний день уже очевидно, что в отличие от проекта OpenStreetMap, который наполняется усилиями немногочисленных добровольцев, такая глобальная база данных должна будет обновляться и уточняться в значительной степени автоматически, или хотя бы полуавтоматически. Можно предположить, что персональные электронные устройства и встроенные в них камеры могут в будущем использоваться как огромный распределённый массив датчиков. Данные GPS, фотографии и видеосъёмки, добровольно отправляемые в сеть с персональных устройств, могут агрегироваться для построения и уточнения модели рельефа и 3D-моделей домов. От пользователя, вероятно, потребуется лишь однажды поставить где-то галочку "Разрешаю использовать данные со своего смартфона для уточнения виртуальных глобусов".
Прагматичный взгляд на виртуальные глобусы предполагает их использование только там, где это действительно оправдано. Например, в учебном процессе для наглядной демонстрации материала, в научной визуализации, симуляторах. При этом традиционные задачи (поиск маршрутов, измерение расстояний, анализ геоданных) по-прежнему будут решаться преимущественно с использованием плоских электронных карт. Здесь показательна итоговая судьба глобуса Google. Отказавшись от поддержки плагина для браузеров, разработчики не стали создавать новое отдельное приложение с виртуальным глобусом. Вместо этого они добавили виртуальный глобус в веб-приложение «Google Карты» в качестве специального режима, про существование которого знают только те, кому это действительно нужно.
Список используемой литературы
1. Cozzi P., Ring K. 3D Engine Design for Virtual Globes. CRC Press, 2011. 520 P. ISBN: 1568817118.
2. Страбон. География, II, 5, 10. Цит. по: Страбон. «География». М., «Наука», 1964.
3. Рыбкина А.И., Бобков А.Е., Никифоров О.В., Пятыгина О.О. Программно-аппаратный комплекс для визуализации геофизических данных на сферическом экране. Научная визуализация. 2015. Т.7. № 2. С. 38-49.
4. Стивенсон Н. Лавина. АСТ, Ермак, 2003. 480 с.
5. http://www.liquisearch.com/google_earth/influences
6. Gore A. The Digital Earth: Understanding our planet in the 21st Century. 1998. URL: http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=6210.
7. Бобков А.Е. Интерактивная визуализация 3D-данных на виртуальном глобусе в стереоскопических системах. Дис. канд. тех. наук: 05.01.01. Нижний Новгород, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», 2013. 149 с.
8. Govind P. Agrawal. Lightwave Technology: Telecommunication Systems. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005. P. 17.
9. Михайлюк М.В., Торгашев М.А. Моделирование и распределенная стереовизуализация. Международной космической станции в режиме реального времени. XVIII годичная научная конференция, посвящённая 80-летию ИИЕТ РАН: Москва, Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, 17–19 апреля 2012 г.: Труды конференции, Т. II. М.: Янус-К, 2012. С. 859-860.
10. Леонов А. В., Бобков А. Е., Ерёмченко Е. Н. 3D-документирование территории для систем виртуальной реальности. Вестник компьютерных и информационных технологий. 2012. № 9. C. 13-17.
11. Бобков А.Е., Пуртов И.С., Шуров А.И., Щербинин Д.Ю. Виртуальная реконструкция истории космических полётов советских/российских пилотируемых кораблей. Вопросы истории естествознания и техники. 2013. №4. С. 138-144.
12. Cozzi P., Ring K. 3D Engine Design for Virtual Globes. A K Peters CRC Press, 2011. P. 520. ISBN: 1568817118.
13. Aijun Chen and John Bailey, Eds., Virtual Globes in Science. Computers & Geosciences. 2011. Vol. 37. Issue 1. P. 1-110.
14. Бобков А.Е., Леонов А.В. Процедурная реконструкция территорий на виртуальном глобусе. Вестник компьютерных и информационных технологий. 2015. № 11. С. 10-17.
15. Бобков А.Е., Леонов А.В., Чебров В.Н. Визуализация сейсмических данных на виртуальном глобусе. Научная визуализация. 2012. № 4. С. 30-43.
16. USGS Earthquakes catalog. Available at: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/feed/
17. USGS Subduction zones. Available at: http://earthquake.usgs.gov/research/data/slab/
VIRTUAL GLOBE: HISTORY AND THE STATE OF THE ART
A.E. Bobkov1, A.V. Leonov2
1 Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT, Russia)
2 S.I. Vavilov Institute for the History of Science and Technology of the Russian Academy of Sciences (IHST RAS, Russia)
Abstract
The article discusses the history of development of virtual globes, from the first prototype to the modern software tools that enable creating of a virtual globe to anyone. In the introduction we briefly discuss the similarities and differences between the virtual globe and its predecessors and analogues – traditional globes and globes based on the spherical projection screens. It is shown that the first patterns of virtual globes appear in the literature and computer games since the beginning of the 1990s, and the first prototypes – in virtual encyclopedias in the late 1990s (Encarta Virtual Globe by Microsoft, 1998, and 3D World Atlas by Cosmi Corporation, 1999). It is shown that the rapid development of virtual globes in the early 2000s was due to three factors: the creation of graphics processors for graphics cards (starting from Ge Force 256 in 1999), the launch of commercial satellites with high-resolution cameras (ICONOS in 1999 and QuickBird in 2001) and a crucial increase in the speed of communication networks (40 Gbit/s per channel in commercial fiber optic systems in 2002). The main stages of the development of virtual globes are analyzed: complete applications (NASA World Wind, 2004; Google Earth, 2005; Microsoft Virtual Earth, 2006 etc.), software libraries (NASA World Wind Java SDK, 2007; osgEarth, 2008 etc.), browser versions (Google Earth plugin, 2008; Cesium, 2012), and the introduction of procedural generation to enhance the visual realism of the surface at a large scale viewing (Outerra, Proland, Biosphere3D etc.). Examples of the modern usage of virtual globes are provided, including Russian projects: visualization of a natural territory with a complex terrain, visualizations of spacecraft’s orbits, and visualization of an underground geophysical data. Finally, we discuss the possibility of further development of the technology of virtual globes, such as the use of personal electronic devices as a distributed array of sensors (GPS-receivers and cameras) for automatic continuous refinement and updating of virtual globes.
Keywords: virtual globe, OpenGL, WebGL, procedural generation, underground data, history
References
1. Cozzi P., Ring K. 3D Engine Design for Virtual Globes. CRC Press, 2011. 520 P. ISBN: 1568817118.
2. Strabo. Geographica, II, 5, 10.
3. Rybkina A.I., Bobkov A.E., Nikiforov O.V., Pyatygina O.O. Hardware and software system for visualization of geophysical data on a spherical screen. Scientific Visualization. 2015. V.7. No. 2. P. 38-49. [In Russian]
4. Stephenson, Neal. Snow crash. Bantam Books (USA), 1992. 480 pp.
5. http://www.liquisearch.com/google_earth/influences
6. Gore, A. The Digital Earth : Understanding our planet in the 21st Century. 1998. URL: http://portal.opengeospatial.org/files/?artifact_id=6210
7. Bobkov A.E. Interaktivnaja vizualizacija 3D-dannyh na virtual'nom globuse v stereoskopicheskih sistemah [Interactive visualization of 3D-data on a virtual globe in stereoscopic systems]. PhD thesis: 05.01.01. Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering, 2013. 149 pp. [In Russian]
8. Govind P. Agrawal. Lightwave Technology: Telecommunication Systems. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2005. P. 17.
9. Mikhaylyuk M.V., Torgashev M.A. Modelirovanie i raspredelennaja stereovizualizacija. Mezhdunarodnoj kosmicheskoj stancii v rezhime real'nogo vremeni [Modeling and distributed stereo visualization of the International Space Station in real time]. Proc. of the XVIII annual scientific conference of IHST RAS, Moscow, 2012, V. II, P. 859-860. [In Russian]
10. Leonov А.V., Bobkov A.E., Eremchenko E.N. 3D-dokumentirovanie territorii dlja sistem virtual'noj real'nosti [3D-documentation of the territory for virtual environments]. Vestnik komp’iuternykh i informatsionnykh tekhnologii (Herald of computer and information technologies). 2012. No. 9. P. 13-17. [In Russian]
11. Bobkov A.E., Purtov I.S., Shurov A.I., Shcherbinin D.Yu. Virtual'naja rekonstrukcija istorii kosmicheskih poljotov sovetskih [Virtual reconstruction of the history of Soviet and Russian manned spaceflights]. Voprosy istorii estestvoznaniia i tekhniki (Studies in the History of Science and Technology). 2013. No. 4. P. 138-144. [In Russian]
12. Cozzi P., Ring K. 3D Engine Design for Virtual Globes. A K Peters CRC Press, 2011. P. 520. ISBN: 1568817118.
13. Aijun Chen and John Bailey, Eds., Virtual Globes in Science. Computers & Geosciences. 2011. Vol. 37. Issue 1. P. 1-110.
14. Bobkov A. E., Leonov A. V. Procedurnaja rekonstrukcija territorij na virtual'nom globuse [Procedural terrain reconstruction on a virtual globe] Vestnik komp’iuternykh i informatsionnykh tekhnologii (Herald of computer and information technologies). 2015. No. 11. P. 10-17. [In Russian]
15. Bobkov A., Leonov A., Chebrov V. Visualization of seismic data on a virtual globe. Scientific Visualization. 2012. No. 4. P. 30-43. [In Russian]
16. USGS Earthquakes catalog. Available at: http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/feed/
17. USGS Subduction zones. Available at: http://earthquake.usgs.gov/research/data/slab/