GeoTextura. Una arquitectura software para la visualización en tiempo real de información bidimensional dinámica georreferenciada sobre modelos digitales 3D de terreno basada en una técnica de mapeado de texturas virtuales

摘要

[Resumen] Los sistemas de información geográfica o SIG son un campo de estudio que ha experimentado un gran auge en las últimas décadas. Sin embargo, a pesar del grado de madurez alcanzado, actualmente todavía carecen de buenas herramientas para la visualización en 3D de forma interactiva con una calidad y realismo adecuados. El tiempo de respuesta, la velocidad de refresco de la pantalla al desplazarse por un área geográfica extensa y la calidad de la visualización no son tan buenos como sería deseable, sobre todo a medida que aumenta el volumen y detalle de los datos visualizados. Además, la vista de los datos tradicionalmente se realiza mediante una vista 2D en planta. La visualización es una ayuda fundamental que facilita la comprensión de los datos por parte de los humanos, y en consecuencia la adquisición del conocimiento. No se trata de un simple acto de presentación de la información, sino que va mucho más allá. La visualización debe ser un proceso bidireccional que permita al usuario interactuar con la información. Los sistemas de visualización se deben considerar como los portales a las bases de datos. Sin embargo, parece que dentro del campo de los SIG, no ha recibido la atención que se merece. En los últimos años han surgido algunos productos comerciales que suponen grandes avances en este aspecto. Se pueden citar ejemplos como Google Earth, Microsoft Virtual Earth 3D, NASA World Wind, TerrainView Globe de ViewTec, TerraExplorer de Skyline, ArcGIS Explorer o ArcGlobe de ESRI, MetaVR 3D Layering Control Plugin for ArcMap o Leica Virtual Explorer de Leica Geosystems. Estos productos permiten navegar sobre una vista tridimensional del terreno con aspecto bastante realista. Sin embargo, dentro de los SIG utilizados habitualmente para el análisis y tratamiento de información geoespacial, todavía no está muy extendido su uso, y los sistemas disponibles de este tipo adolecen de muchas carencias y limitaciones en cuanto a la calidad de visualización y la agilidad de la navegación. En el ámbito de la investigación, el ejemplo más notorio es VGIS (Virtual Geographic Information System), desarrollado en el Georgia Institute of Technology (Koller, 1995). Este sistema, cuyo desarrollo comenzó a finales de la década de los 90, es uno de los pioneros en la integración de los SIG con la visualización interactiva de terreno en 3D. La cantidad de herramientas de este tipo que están surgiendo, así como la gran aceptación que están teniendo entre los usuarios a todos los niveles, es una clara prueba de la enorme demanda tecnológica para sistemas que resuelvan los problemas existentes, reduciendo los límites a la agilidad en el manejo de grandes volúmenes de datos y la calidad de la visualización de los mismos. Por lo tanto, se hace patente la necesidad de disponer de un sistema de visualización de terreno en tiempo real que combine información dinámica en forma de mapas raster y datos vectoriales con una calidad realista y un tiempo de respuesta adecuado a las aplicaciones que demanda el mercado. El trabajo planteado, parte de un estudio del estado del arte sobre la visualización en tiempo real de información SIG 2D vectorial sobre modelos digitales de terreno 3D. Aunque sobre los sistemas comerciales no hay demasiada información técnica disponible, existen importantes publicaciones en el ámbito de la investigación. Principalmente, se basan en dos estrategias para la visualización de esta información: la construcción de geometría 3D adaptada al terreno (Wartell, 2003, Schneider, 2005, Agrawall, 2006, Schilling, 2007 y Schneider, 2007) y la proyección de la información 2D sobre texturas que se aplican al terreno 3D (Kersting 2002, Brooks, 2005, Schneider, 2005). Las limitaciones de las técnicas mencionadas se analizarán en detalle, aunque se pueden destacar el acoplamiento con las técnicas de gestión y visualización del modelo geométrico 3D del terreno y la dificultad de su combinación con sistemas de visualización de terreno dinámicos con niveles de detalle contínuos. Respecto a la aplicación de datos raster sobre el modelo 3D del territorio en forma de texturas, el problema de acoplamiento también está muy presente en la práctica totalidad de las técnicas existentes. Sólo dos técnicas resuelven completamente este problema (Cosman, 1994 y Tanner, 1998) aunque lo hacen a costa de unos requisitos de hardware específico de elevado coste. Además del problema de acoplamiento con la geometría, existen otros relativos a la calidad de visualización (antialiasing, filtrado anisotrópico, etc.). Técnicas posteriores, basándose en la filosofía de los clipmaps (Tanner, 1998), solucionan parcialmente el problema (Ephanov, 2006 y Seoane, 2007). Sin embargo, aunque menos grave, siguen manteniendo cierto nivel de dependencia entre geometría y textura del terreno. La técnica propuesta en este trabajo se basa en las ideas de Cosman y la estructura de clipmap de Tanner, pero solucionando la necesidad de hardware específico. Únicamente se requiere una tarjeta gráfica de consumo, y se soluciona completamente el problema de dependencia entre geometría y textura. Además se añaden otras ventajas sobre las técnicas anteriores, como la posibilidad de combinar diferentes texturas y utilizar shaders para poder realizar cualquier efecto visual a partir de los datos geográficos manejados. Sobre este sistema de texturizado de terreno global, independiente y flexible, se implementará un sistema de gestión de datos vectoriales 2D mediante la generación dinámica de textura bajo demanda, siguiendo la idea planteada por Kersting (2003). De esta forma, se solucionan los problemas planteados de todos los sistemas precedentes, combinando las virtudes de esas aproximaciones y posibilitando la creación de nuevas aplicaciones y efectos visuales sobre el terreno a partir de la información geográfica de cualquier tipo y fuente. Se realizará un diseño flexible y ampliable mediante una arquitectura modular que permita la visualización en tiempo real de esta información, teniendo en cuenta su posible carácter altamente dinámico, con un rendimiento, en cuanto a frecuencia de refresco y tiempo de respuesta similares a las de un simulador de vuelo. Esta arquitectura posibilita la adquisición de los datos en tiempo real de diversas fuentes de carácter heterogéneo y en múltiples formatos. El trabajo desarrollado en esta tesis está integrado dentro del proyecto SANTI (Sistema Avanzado de Navegación sobre Terrenos Interactivos), desarrollado desde el año 1998 por el Grupo de Visualización Avanzada en Ingeniería, Arquitectura y Urbanismo (VideaLAB) de la Escuela de Caminos, Canales y Puertos de la Universidade da Coruña. Por lo tanto, los resultados de esta tesis doctoral no se limitarán a un trabajo teórico, sino que las técnicas desarrolladas serán validadas sobre el motor SANTI para su inmediata aplicación en situaciones reales. Además, SANTI consistuirá un excelente banco de pruebas para la validación del sistema, la realización de mediciones de rendimiento y calidad y el posterior análisis de resultados y generación de conclusiones. Estructura de la memoria del trabajo a realizar 1. Introducción. Motivación, importancia de la visualización en los SIG, contexto del trabajo, aportación de la investigación. 2. Antecedentes. Análisis de los campos de la cartografía digital, SIG, visualización en tiempo real de terreno. Estado del arte del campo de la visualización 3D de información SIG 2D. Estudio de los trabajos existentes, otras investigaciones relacionadas. Limitaciones de los sistemas existentes en la actualidad. 3. Hipótesis. Punto de partida respecto a los trabajos anteriores. Definición de objetivos concretos para el sistema desarrollado. 4. Desarrollo. Diseño de la arquitectura del sistema propuesto, análisis y justificación de todas las características y decisiones de diseño. Descripción de todas las técnicas desarrolladas. 5. Resultados. Diseño de las pruebas de calidad y rendimiento con datos geoespaciales reales. Presentación y análisis de los resultados obtenidos en las pruebas del sistema desarrollado. 6. Conclusiones.