Сущность виртуального изображения

Наверняка, не все, кто употребляет этот быстро ставший популярным термин, вполне точно его понимают. Многие просто связывают его с компьютерными построениями, считая, что «виртуальная реальность» примерно означает «компьютерную реальность», гак сказать, то, что создано хитроумными электронными технологиями и находится где-то между научной фантастикой и реальной действительностью. Вопросы, заданные автором этих строк многим отечественным и зарубежным специалистам, работающим в области виртуальных технологий, показали, что чаще всего виртуальное изображение понимается как изображение, построенное с помощью ГИС, а иногда виртуальное моделирование напрямую связывают с мультимедийными технологиями.

По-английски «virtual» означает «фактический», «действительный» в смысле, близком к слову «реальный». А вот с французского «virtuale» переводится как «возможный», «потенциальный», a «virtualite» означает «скрытую возможность». В русском языке понятие «виртуальный» толкуют как не существующий, но «возможный», «способный к действию».

Научный термин «виртуальный», употребляемый в физике, философии, логике и инженерной психологии, компьютерной графике, также имеет несколько смысловых оттенков: 1) возможный, потенциальный; 2) не существующий, но способный возникнуть при определенных условиях; 3) временный или непродолжительно существующей; 4) не реальный, но такой же, как реальный, неотличимый от реального.

В некоторых работах прямо указывается, что виртуальная реальность представляет собой «искусственно созданный мир путем подмены окружающей

действительности информацией, генерируемой компьютером». При этом непременно в интерактивном режиме имитируется «погружение» человека в этот искусственный «параллельный» мир. Для обеспечения интерактивного взаимодействия изобретены даже особые шлемы-дисплеи, позволяющие видеть виртуальный мир стереоскопически и синхронно фиксировать состояние и реакции наблюдателя.

В технической практике существуют различные тренажеры и манипуляторы (например, специальные перчатки), с помощью которых можно «брать в руки» искусственно созданные объекты и управлять их положением, передавая на мониторинговое устройство импульсы от движения рук и пальцев.

Видный американский картограф Гарольд Моельринг одним из первых ввел понятие «виртуальная карта», противопоставив его «реальной карте». Различия между ними определяются двумя признаками: во-первых, возможностью непосредственно видеть картографическое изображение и, во-вторых, материально осязаемой формой существования карты. В соответствии с этими признаками были выделены четыре типа карт:

• Реальная карта (R) любая видимая карта, постоянно существующая в материальной форме (при этом не важно, создана она вручную, механически или с помощью компьютерных средств);

• Виртуальная карта 1-го типа (V-1) - непосредственно видимое изображение, но временно существующее только в электронной форме на экране компьютера;

• Виртуальная карта 2 -го типа (V-2) постоянно и реально существующая, но невидимая карта, для визуализации которой необходимы дополнительные преобразования;

• Виртуальная карта 3 -го типа (V-3) - карта, не принадлежащая ни к одному из названных выше типов, но полностью готовая к преобразованию в любой из типов.

Далее Моельрингуказал возможные преобразования (переходы) между разными типами карт. Он назвал их «тоблеровскими преобразованиями», по имени Уолдо Тоблера, разработавшего теорию аналитических картографических преобразований:

R —> R - обычная обработка карт

R — • V-1 - цифрование пространственных данных и их хранение в

цифровой базе данных

V-1 —» R - получение копии карты с экрана компьютера

V-3 —» R - вычерчивание карты на графопостроителе по цифровым данным

V-3 —» V-1 - вывод карты на экран по данным, хранящимся на жестком диске компьютера

V-1 —» V-3 - редактирование на экране пространственных данных, хранящихся на жестком диске

V-2 —» V-3 - считывание цифровых данных с CD-ROM и хранение их в памяти компьютера

V-3 —» V-3 - математические преобразования цифровых пространственных данных, хранящихся в памяти компьютера.

Таким образом, виртуальность карты в трактовке Моельринга связывается лишь с реальностью ее существования и способом визуализации.

В настоящее время понимание виртуального изображения претерпело значительные изменения. Средства геоиформационного картографирования позволяют визуализировать виртуальное изображение, применяя прежде всего эффекты трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия в реальном пространстве и интерактивного взаимодействия с ним.

В недавно вышедшем Толковом словаре основных терминов по геоинформатике термин «виртуальная реальность (virtual reality, VR)» трактуется как «искусственная действительность, во всех отношениях подобная

подлинной и совершенно от нее неотличимая. При этом между искусственной действительностью и воспринимающим ее человеком образуется двусторонняя связь».

Таким образом, поучается, что виртуальная реальность - это некое искусственное построение, модель объекта или ситуации, которая позволяет взаимодействовать с этим объектом или ситуацией, управлять ими, проигрывать какие-то задачи и принимать решения.

Из теории и практики картографии хорошо известно, что всякая карта (даи вообще, всякое геоизображение) - это модель. С помощью картографических моделей исследуют реальные объекты, процессы и связи, визуализируют научные абстракции, прошлые (например, палеогеографические) условия и будущие ситуации, на основе моделей планируют сражения и принимают управленческие решения. Карты способны моделировать невидимые объекты (например, поверхность Мохоровичича) и явления, не воспринимаемые органами чувств человека (например, магнитное склонение). Наконец, известны карты вообще не существующих объектов, с которыми можно свободно оперировать. Таковы карта Земли Санникова или Таинственного острова, где во всех подробностях представлена искусственная (научно-фантастическая) действительность, вымысел, небылица, фикция, но с очень правдоподобными деталями: орографией и гидрографией, растительным покровом и климатом, даже с подробнейшей топонимикой - и все это «совершенно неотличимо» от реальности.

Выходит, картография давно имеет дело с виртуальными изображениями. Ведь способность моделировать объекты и процессы составляет одно из самых сильныхэвристических свойств карты. Она опирается на Фундаментальныйпринцип подобия и реализуется в формах геометрического, временного подобия и подобия отношений. Тогда что же такое виртуальная модель? В чем кроется разница между нею и обычной картографической моделью, воссоздающей реальную действительность или вымышленную ситуацию? Где пролегает граница, отличающая привычную карту от виртуальной?

Попробуем назвать четыре свойства, объясняющие эти различия:

• компьютерная генерированностъ виртуальной модели, сочетание в одном геоизображении свойств карты, перспективного снимка,

блок-диаграммы и анимации;

• возможность программногоуправления этим синтезированным

геоизображением;

• интерактивное взаимодействие с самим геоизображением и окружающей

его виртуальной средой;

• уменьшение свойств знакового и условности геоизображения, придание ему черт реалистической «портретное» и «натуральности».

Можно считать, таким образом, виртуальное геоизображение — это особая пространственно-временная модель реальных или абстрактных объектов и ситуаций, формируемая и существующая в программно управляемой среде и создающая возможность для интерактивного взаимодействия с наблюдателем. Как любое геоизображение, оно предстает в графической образной форме, имеет проекцию, масштаб и обладает свойством

генерализованности.

Некоторые исследователи особенно подчеркивают отказ от условныхзнаков, что, по их мнению, придает виртуальным геоизображениям «натуральность», ускоряя и улучшая процесс коммуникации пространственной

информации. В самом деле, «реалистичность» виртуальной модели и окружающей ее среды бросается в глаза прежде всего.

Однако при детальном рассмотрении оказывается, что это вовсе не самый

существенный признак. Более того, во многих случаях виртуальная портретность и условно-знаковые свойства карт удачно сочетаются и дополняют друг друга.

Особая наглядность и выразительность виртуальных геоизображений провоцируют еще один вопрос - являются ли они лишь средством компьютерной презентации данных или инструментом исследования? Необходимы они для реалистичного представления картографируемого объекта или для углубленного его изучения? На самом деле подобные противопоставления неправомерны. Столь же странно прозвучал бы вопрос о том, являются ли комплексные атласы способом представления географической информации или средством исследования? Максимально наглядное и возможно более точное отображение объекта или процесса, конечно же, способствует наилучшему пониманию его морфологии и генезиса, а следовательно, значительно повышает эвристический потенциал исследования.

По внешнему виду к виртуальным моделям довольно близки фотопанорамы.

Они предельно реалистичны, но, кончено, не создают возможности интерактивного взаимодействия с ними. Схематично можно представить, что виртуальные геоизображепия находятся где-то посредине на оси «условно-знаковые карты реалистические фотопанорамы»:

Карты <=> виртуальные модели <=> фотопанорамы

Модельные свойства традиционных карт сделали их наиболее притягательным средством представления добытых знаний и инструментом исследования в науках о Земле. Напомним, что этими свойствами являются пространственно-временное подобие, содержательное соответствие, абстрактность, избирательность и синтетичность, наличие масштаба и метричностъ, наглядность, обзорность, однозначность и непрерывность.

Виртуальные геоизображения в полной мере обладают всеми этими свойствами и добавляют к ним ряд других, среди которых наиболее существенны следующие:

• реалистичность, проявляющаяся в трехмерности и перспективности изображения, хорошей передаче пластики рельефа местности, естественной структуры ландшафта, натурального цветового оформления и освещения;

• программная управляемость - изменение параметров и внешнего вида модели в интерактивном режиме с помощью меню и команд, выбираемых пользователем;

• анимационность (динамичность) - движение или изменение всего изображения в целом, отдельных его элементов или точек обзора в автоматическом или интерактивном режиме;

• обновляемость - внесение новых данных, коррекция, модификация, осуществляемые в оперативном режиме, в том числе в реальном масштабе времени;

• многомасштабность и мультиуровенная генерализация - переход с одного масштабного уровня на другой за счет изменения уровня детальности и текстуры изображения;

• многотемноеть - изменение тематического содержания модели путем замены или комбинации картографических и фотографических слоев;

• мультимедийность - сочетание трехмерного изображения с плоской картой или снимком, профилями, разрезами, фотографиями, звуковым сопровождением, что обеспечивает высокую информативность виртуальных геоизображений.

Некоторое, неизбежно схематическое представление о соотношении свойств традиционных карт и виртуальных геоизображений дает следующее сопоставление:

Говоря о свойствах виртуальных геоизображений, нельзя не сказать и о таком немаловажном сегодня факторе, как притягательность их новизны. Они становятся популярны во многом в силу своей поражающей воображение необычности и склонности человека к новым изобретениям.

Каждому хочется взглянуть на виртуальный мир. Возможно, по мере того как виртуальные геоизображения войдут в привычный научный и практический обиход, пользователи более явственно увидят их недостатки и ограничения и, как обычно, придут к выводу о том, что их следует использовать «не вместо, а вместе» с традиционными картами.

Иногда можно встретить мнение, что появление «вполне реальных» виртуальных изображений и отказ от привычных условных знаков (например от горизонталей) может означать конец (даже смерть) картографии. Увы, подобное навязчивое чувство страха возникает у некоторых картографов как реакция на стремительный прогресс новых технологий. Прежде казалось, что дни картографии сочтены вследствие бурной математизации, компьютеризации, внедрения дистанционного зондирования, геоинформационных систем, телекоммуникационных сетей. Но этого не происходит. Обогащаясь геоинформационными технологиями, картография продолжает свое развитие, не теряя, а приобретая новые возможности и новые сферы применения. Кажущаяся утрата знаковости виртуальных карт на самом деле означает открытие новых возможностей и аспектов языка карты, расширение сферы его действия.

Методика создания виртуальных глобусов позволяет сделать наглядные шарообразные картографические модели планет еще более наглядными и удобными. Эти замечательные изобретения картографии, существующие уже более пяти веков, чрезвычайно просты в использовании, а главное - не имеют присущих картам искажений, благодаря чему служат незаменимым учебным пособием. Но, как известно, глобусы громоздки, нетранспортабельны и поэтому обычно мелкомасштабны.

Современные земные глобусы чаще всего имеют масштабы от 1:30 000 000 до 1:80 000 000.

Виртуальные глобусы снимают многие из этих ограничений. Прежде всего, они весьма «транспортабельны» и умещаются на одном тонком компакт-диске. «Не надо перевозить глобусы, - замечает А. Ридал, достаточно перевозить данные». Глобальные цифровые модели и технологии многомасштабной аппроксимации позволяют переходить на разные уровни детальности шарообразного изображения, вводить новые данные и менять тематику глобусов. Использование специальных стереоочков, применяемых в цифровой фотограмметрии, позволяет видеть на экране объемные вращающиеся стереоскопические «гиперглобусы», совмещающие разные тематические слои. На них можно моделировать меняющееся солнечное освещение, облачность, показывать атмосферные фронты, зоны осадков, циклоны и антициклоны, сезонные изменения растительного покрова и ландшафта и т.п.

Одно время в картографии проводились эксперименты по созданию голографических карт и глобусов, но их реализация оказалась довольно трудоемкой. Современные технологии виртуального картографирования позволяют получать не менее реалистичные модели. Технически возможно проектировать виртуальные глобусы и на шарообразный экран.