AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

Kraków, 2005-10-20

Wydział Geodezji Górniczej i InŜynierii Środowiska Katedra Ochrony Terenów Górniczych i Geoinformatyki Kierunek: Geodezja i Kartografia

TEMATYKA PRACY DYPLOMOWEJ dla studenta V roku studiów dziennych Specjalność: Geodezja InŜynieryjno-Przemysłowa Marek Wątroba

Temat pracy dyplomowej: WIZUALIZACJA WĘZŁA „BIEśANÓW” W CIĄGU AUTOSTRADY A-4

Promotor pracy: dr inŜ. Artur Krawczyk Recenzent pracy: dr inŜ. Rajmund Oruba

Program pracy: 1.

Omówienie realizacji pracy z promotorem

2.

Zebranie i opracowanie literatury dotyczącej tematu pracy

3.

Zebranie danych do wykonania wizualizacji

4.

Praktyka dyplomowa

5.

Analiza wyników pracy, ich omówienie i zatwierdzenie przez promotora

6.

Opracowanie redakcyjne

Termin oddania w dziekanacie:………………………

…………………… (podpis promotora)

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

Wydział Geodezji Górniczej i InŜynierii Środowiska Katedra Ochrony Terenów Górniczych i Geoinformatyki

Praca Dyplomowa Wizualizacja Węzła „BieŜanów” w ciągu autostrady A-4

Nazwisko i imię: Wątroba Marek Kierunek studiów: Geodezja i Kartografia Specjalność: Geodezja InŜynieryjno-Przemysłowa

Ocena:……………

Recenzent

Promotor

dr inŜ. Rajmund Oruba

dr inŜ. Artur Krawczyk

Kraków 2005

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Spis treści 1. Wstęp............................................................................................ 4 2. Inwentaryzacja danych źrodłowych ................................................. 6 2.1. Dane aktualnego modelu terenu............................................................................ 6 2.2. Dane do wymodelowania projektowanych jezdni i obiektów mostowych ................... 7 2.3. Ortofotomapa ...................................................................................................... 8

3. Opracowanie trójwymiarowego modelu projektowanego węzła.......... 9 3.1. Charakterystyka numerycznych modeli terenu - NMT .............................................. 9 3.2. Metodyka utworzenia spójengo NMT dla obszaru wizualizacji ................................. 11 3.3. Połączenie NMT jezdni z terenem ........................................................................ 19 3.4. Modelowanie w przestrzeni 3D ............................................................................ 25 3.4.1. Tworzenie powierzchni ................................................................................................ 25 3.4.2. Tworzenie elementów bryłowych ................................................................................. 27 3.4.3. Tworzenie budynków .................................................................................................. 30 3.4.4. Tworzenie elementów powtarzających się..................................................................... 31

4. Rendering modelu, nałoŜenie tekstur ............................................. 36 4.1. Porównanie technik renderingu ........................................................................... 36 4.2. Materiały, tekstury ............................................................................................. 44 4.3. Animacja ........................................................................................................... 49 4.4. Wykorzystane oprogramowanie........................................................................... 51

5. Wykorzystanie modelu .................................................................. 53 6. Podsumowanie ............................................................................. 56 7. Literatura..................................................................................... 58 8. Spis załączników........................................................................... 60

AGH Kraków

3

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

1. WSTĘP Inwestycja drogowa to bardzo złoŜony proces rozciągający się w czasie. Dzieli się na wiele etapów. W wielu z tych etapów

uczestniczą geodeci, co zresztą

znajduje odzwierciedlenie w stwierdzeniu, Ŝe geodeta pierwszy wchodzi na plac budowy i ostatni z niego schodzi. W przypadku inwestycji drogowych uczestniczy juŜ w fazie planowania koncepcji, kompletuje bowiem dane o terenie gdzie jest przewidziana inwestycja i obrabia je do formatu akceptowanego przez planistów i projektantów (ortofotomapy, mapy topograficzne, rastry map zasadniczych itp.). Po ustaleniu finalnej lokalizacji następuje faza projektowania, która musi być poprzedzona wykonaniem mapy do celów projektowych i tu ponownie pojawia się zadanie dla geodety. Obecnie, oprócz samej mapy sytuacyjno - wysokościowej, biura projektowe zamawiają u geodetów model terenu w postaci numerycznej (NMT). Po wykonaniu projektu następuje okres realizacji inwestycji – geodeta nieustannie przebywa wtedy na placu budowy (tyczenie, kontrola wykonanych elementów itp.) Ostatnim etapem jest inwentaryzacja powykonawcza – wykonywana równieŜ przez geodetę. W ostatnich latach coraz częściej w poszczególnych etapach pojawia się pojęcie wizualizacji. Pracując w firmie „Transprojekt” Kraków, na stanowisku geodety, na co dzień obcuje z bogatymi materiałami moŜliwymi do wykorzystania w wizualizacji. Posiadając umiejętności w tworzeniu numerycznego modelu terenu postanowiłem zająć się w swojej pracy dyplomowej metodyką tworzenia wizualizacji danych geodezyjnych i projektowych. Celem pracy jest wykonanie wizualizacji projektu drogi na podkładzie rzeczywistego numerycznego modelu terenu z wykorzystaniem ortofotomapy, opracowanie metodyki postępowania przy wykonaniu tego typu zadań oraz praktyczne wykorzystanie wyników pracy – animacji i wizualizacji. Wybór obiektu był poprzedzony analizą

pod

kątem

dostępności materiałów oraz moŜliwością

wykorzystania efektów jeszcze na etapie jego projektowania. Do realizacji pracy wybrano Węzeł „BieŜanów” w ciągu autostrady A-4, odcinka Kraków – Tarnów, który jest obecnie projektowany w firmie „Transprojekt”. Ponadto starano się teŜ zwrócić uwagę na walory wizualne przedmiotu opracowania, pod tym względem wybór tego węzła wydawał się najbardziej optymalny. Węzeł „BieŜanów” będzie nowym, rozległym i nowoczesnym obiektem i w dziedzinie wizualizacji stanowi prawdziwe AGH Kraków

4

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

wyzwanie. Będzie on zlokalizowany około 3 km na wschód od istniejącego juŜ Węzła „Wielicka” [zał. 1]. Przyjęty do wizualizacji układ drogowy jest zaczerpnięty z opracowania koncepcyjnego. W pierwszym etapie realizacji zostanie wybudowana trasa zasadnicza i przełoŜenie ulicy Kokotowskiej, kolejny etap to budowa drogi ekspresowej S7 w kierunku Nowej Huty wraz z łącznicami. PrzedłuŜenie drogi S7 w kierunku Wieliczki pozostaje w sferze koncepcji. Jako narzędzie do wykonania całej pracy i wizualizacji wybrano program MicroStation V8 2004 Edition. Wybór był podyktowany czterema przesłankami. Rosnącymi moŜliwościami tej platformy CAD w aspekcie wizualizacji, jeszcze kilka lat temu programy typu CAD (AutoCAD, MicroStation) posiadały bardzo prymitywne narzędzia słuŜące do tego celu, dziś to się zmienia. Kolejnym argumentem była codzienna praca w tym środowisku polegającą na tworzeniu NMT i map numerycznych. Wykonanie projektu drogi w nakładce na MicroStation, InRoads, pozwoliło na pominięcie problemów technicznych pojawiających się w przypadku niekompatybilności formatów. InRoads to potęŜne narzędzie generalnie słuŜące do projektowania układów komunikacyjnych (drogi, kolej, mosty). Posiada wiele dodatków, np. Storm and Sanitary do projektowania urządzeń podziemnych (kanalizacja, wodociągi). Wśród tych dodatków znajduje się InRoads Site, który w firmie „Transprojekt” jest wykorzystywany do budowania numerycznego modelu terenu. Fakt dostępności pakietowego oprogramowania i wymienności danych był trzecim powodem wyboru MicroStation jako narzędzia realizacji celu pracy. Wielozadaniowość platformy MicroStation, bezproblemowa obsługa wielu formatów rastrów (w tym GeoTIFF z kompresją), co jest problemem, np. w AutoCAD, była czwartym i decydującym powodem. Tak więc w środowisku jednego programu zebrano i przygotowano dane z róŜnych źródeł. Na ich podstawie stworzono jeden spójny numeryczny model terenu o zmiennej dokładności. Następnie zbudowano scenę 3D przedstawiającą projektowany węzeł i wykonano wizualizację w postaci serii obrazów oraz sekwencji przelotowej – animacji.

AGH Kraków

5

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

WĘZŁA

PROJEKTU

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

2. INWENTARYZACJA DANYCH ŹRODŁOWYCH Przyjęto

załoŜenie

stworzenia

wizualizacji

projektu

na

podstawie

rzeczywistego modelu terenu. Co za tym idzie były potrzebne dane do jego wygenerowania. Skompletowano dane z róŜnych źródeł. Aby numeryczny model terenu

wyglądał

realnie

potrzebowano

równieŜ

ortofotomap

oraz

obrysów

istniejących budynków. W skład przedstawionego układu drogowego wchodzą: drogi (z chodnikami, krawęŜnikami, nasypami i wykopami), obiekty mostowe, latarnie oraz oznakowanie poziome. Pozyskano wszelkie dane pomocne w stworzeniu ww. elementów. 2.1. D AN E

A KT U A LN EG O M O D E LU TE R E N U

Dane do wygenerowania NMT w obrębie węzła „BieŜanów” i wzdłuŜ autostrady A-4 (trasy zasadniczej) pochodzą z pomiaru bezpośredniego wykonanego przez firmę KBPDiM „Transprojekt” w Krakowie. Pomiar został wykonany na potrzeby projektu budowlanego w roku 2004. Charakteryzuje się on wysoką dokładnością i dbałością o szczegóły terenowe. Wynika to z faktu wykorzystania go przez projektantów, którzy na jego podstawie generują profil wzdłuŜ osi trasy, poprzeczki i dowiązują się do zawartych w nim istniejących obiektów drogowych (mosty, wiadukty,

drogi).

Jest

to

najwierniej

odwzorowująca

rzeczywistość

część

opracowania. Liczba pikiet z tego pomiaru bezpośredniego wynosi ok. 6500. Łącząc je w rysunek szkieletowy 3D utworzono ok. 2000 linii nieciągłości (breakline-y). Pracę w tym zakresie (łączenie pomiaru ze szkiców polowych, tworzenie rysunku szkieletowego 3D, generowanie i modelowanie NMT) wykonałem osobiście. Dane pochodzące z opracowania fotogrametrycznego słuŜące do utworzenia NMT w szerszym zakresie udostępniła firma MGGP Aero. Były to rysunki szkieletowe 3D zawierające punkty rozproszone (random-y) oraz linie nieciągłości (breakline-y). Punkty rozproszone były generowane na podstawie siatki 5 m. Dokonano, bezstratnego dla celu pracy, doboru ilości danych do moŜliwości ich przetwarzania przez system, poprzez zwiększenie odstępów między punktami rozproszonymi do odległości 25 m. (tzn. część punktów usunięto). Linie nieciągłości pozostawiono w nienaruszonym stanie. Dane z pomiaru bezpośredniego i te z pomiarów AGH Kraków

6

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

fotogrametrycznych w pewnym zakresie pokrywały się. W takich wypadkach dane z pomiaru bezpośredniego były traktowane priorytetowo, natomiast dane z pomiarów fotogrametrycznych

zostały

usunięte.

I

tak

liczba

punktów

typu

random

dostarczonych wynosi ok. 47500, liczba punktów wykorzystanych ok. 3800, liczba linii nieciągłości to ok. 1800. Do danych źródłowych naleŜy teŜ zaliczyć rastry map topograficznych w skali 1:10000 oraz obrysy budynków otrzymane z ODGiK w ramach zgłoszenia roboty geodezyjnej (aktualizacja mapy zasadniczej) wykonanego przez Transprojekt. Mapy topograficzne

wykorzystano

do

stworzenia

NMT

poza

zakresem

danych

pozyskanych z firm Transprojekt i MGGP Aero Liczba wykorzystanych obrysów to 4299. Natomiast liczba wykorzystanych map topograficznych to 4 arkusze. 2.2. D AN E

D O WY M O D EL O WA N I A P R O J E K TO W AN Y C H J EZD N I I O B IE K TÓ W

M O S TO WY CH

Dane do wymodelowania projektowanych dróg i obiektów mostowych pozyskano bezpośrednio od projektantów z firmy „Transprojekt” Kraków, która jest generalnym projektantem autostrady A-4 na odcinku Kraków – Tarnów.

Dane

udostępniono w następującej postaci: a) NMT projektowanych nawierzchni wraz z nasypami i wykopami (pliki *.dtm czytane przez Bentley InRoads), b) przekroje normalne trasy zasadniczej, łącznic i dróg poprzecznych (pliki *.dgn) c) plan sytuacyjny węzła (plik *.dgn), d) rzuty i przekroje obiektów mostowych występujących w obrębie węzła (pliki *.dwg) Wszystkie pliki z wyjątkiem DWG nie wymagały większej obróbki w celu ich wykorzystania. Pliki DWG po referencyjnym podpięciu do rysunku głównego wymagały przesunięcia, tzn. podczytywały się w odpowiedniej skali, natomiast były przesunięte o kilkaset kilometrów. Jest to dość często spotykana sytuacja i poradzono sobie uŜywając podstawowych narzędzi programu MicroStation.

AGH Kraków

7

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

2.3. O R T O F O T O M AP A Dzięki

uprzejmości

firmy

MGGP

Aero

pozyskano

najaktualniejszą

ortofotomapę z tego rejonu. Udostępnione materiały były bardzo wysokiej jakości (ortofotomapa w skali 1:2000, rozmiar piksela = 20 cm) jednakŜe ze względów ograniczeń sprzętowych została ona przeformatowana i w rezultacie rozmiar piksela wynosi 80 cm w jednostkach terenowych. Dokonano tego w programie Photoshop przy uŜyciu narzędzia „resize image”. ObniŜenie jakości ortofotomapy nie wpłynęło na jej efektowność jak i czytelność. Przyjęta wielkość piksela jest optymalna. Ortofotomapa została wykorzystana jak wzór dla materiału przypisanego do siatki trójkątów reprezentującej model terenu w obrębie projektowanego węzła. Pozwoliło to na zwiększenie realizmu wykonanej wizualizacji poprzez pokrycie NMT treścią obrazu ortofotomapy.

AGH Kraków

8

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

3. OPRACOWANIE TRÓJWYMIAROWEGO MODELU PROJEKTOWANEGO WĘZŁA 3.1. C H A R A K T ER Y S TY K A

N U M E R Y CZN Y C H M O D E LI T ER EN U

- NMT

NMT (ang. DTM – Digital Terrain Model) moŜna zdefiniować jako zbiór punktów oraz aproksymujących je powierzchni niezbędnych do zdefiniowania kształtu powierzchni terenu, umoŜliwiający wyznaczenie dowolnego punktu tej powierzchni z określoną dokładnością. Klasyczny NMT realizuje następujące funkcje: -

podstawową – obliczanie rzędnej dla zadanych współrzędnych punktu: Zi- f(Xi, Yi),

-

wtórne, takie jak: •

wyznaczenie przekroju wzdłuŜ dowolnej linii (np. profile, przekroje poprzeczne),

•

wyznaczenie punktu przebicia prostej z terenem (np. wyznaczenie krawędzi skarp),

•

obliczanie objętości brył wyznaczonych przez powierzchnię terenu i dowolne inne powierzchnie (np. obliczanie robót ziemnych).

Numeryczne modele terenu moŜna sklasyfikować według danych jakie zostały wykorzystane do jego zdefiniowania. Tabela 3.1. Klasyfikacja NMT ze względu na punkty je definiujące Typ modelu

Usytuowanie punktów źródłowych

Uwagi

przekroje poprzeczne

wzdłuŜ przekrojów prostopadłych do załoŜonej osi (np. niwelacja przekrojami)

praktycznie niestosowany

regularna siatka

w wierzchołkach regularnych siatek trójkątów bądź kwadratów (np. niwelacja siatkowa)

nie oddaje lokalnych zaburzeń, przesunięcie siatki moŜe zmienić obraz terenu

punkty rozproszone

dostosowane do ukształtowania terenu (pomiary syt.-wys.)

uwzględnia kształt naturalnych i sztucznych form terenu (linie nieciągłości)

AGH Kraków

9

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Po otrzymaniu punktów źródłowych naleŜy na nich zbudować siatkę trójkątów. Zakłada się, Ŝe siatka najdokładniej odwzorowuje ukształtowanie terenu, jeśli tworzące ją trójkąty spełniają następujące warunki: -

są jak najbardziej zbliŜone do równobocznych,

-

mają moŜliwie najmniejszą wysokość,

-

najdłuŜszy bok jest moŜliwie najkrótszy.

Wszystkie powyŜsze warunki są uwzględnione w metodzie Delanuaya. Polega ona na tym, Ŝe wokół kaŜdego punku Pi definiującego NMT buduje się poligon Thiessena – według zasady, Ŝe kaŜde miejsce wewnątrz tego poligonu jest bliŜsze analizowanego punktu Pi niŜ pozostałych Pi+j (rys. 3.1) Do kaŜdego takiego poligonu przystają bokami inne poligony. Punkty Pi+j znajdujące się wewnątrz nich to tzw. sąsiedzi. Trójkąty buduje się łącząc analizowany punkt z jego sąsiadami.

Rys. 3.1. Metoda triangulacji Delanuaya – budowanie optymalnego układu siatki trójkątów aproksymujących powierzchnię terenu [1]

Tak zbudowana siatka trójkątów nie uwzględnia jeszcze gwałtownych załamań terenu (krawędzie skarp, jezdni, dna rowów itp.). Aby znalazły one swoje odzwierciedlenie w NMT to wprowadza się linie nieciągłości (ang. breakline). Wprowadzona do algorytmu triangulacji linia nieciągłości zabrania przecięcia jej przez jakikolwiek bok trójkąta (rys. 3.2).

Rys. 3.2. Efekt zastosowania linii nieciągłości w NMT [1]

AGH Kraków

10

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Przedstawiona tutaj metoda TIN tworzenia NMT (nieregularna siatka trójkątów, ang. Triangular Irregular Network), została wykorzystana do realizacji pracy ze względu na najwierniejsze odwzorowanie terenu w świetle dostępnych danych. Nie opisywano pozostałych metod tworzenia NMT poniewaŜ nie zostały zastosowane w niniejszej pracy. Ponadto metoda TIN stanowi podstawę działania algorytmów generowania NMT w programie InRoads. 3.2. M E TO D Y K A

U T WO R Z EN I A S P Ó J EN G O

NMT

D LA O B S Z AR U W I ZU A L IZ A CJ I

Numeryczny model terenu (NMT) dla projektowanej sceny został wykonany w promieniu 5 km od przecięcia się dwóch głównych tras opracowania, a mianowicie autostrady A-4 i drogi ekspresowej S-7. Tak duŜy obszar, specyfika opracowania i dostępne materiały wymusiły zbudowanie jednego NMT na podstawie trzech róŜnych typów danych. Z tego względu otrzymany NMT będzie charakteryzował się róŜnym stopniem dokładności. W miarę oddalania się od terenu zajętego przez pas drogowy wierność (dokładność) modelu będzie więc ulegała zmniejszeniu. Stworzony NMT moŜna podzielić na trzy zakresy w zaleŜności od uŜytych do jego wygenerowania danych. Zakres czwarty jest powierzchnią sztuczną i stanowią go wygenerowane trójkąty wiąŜące granice zewnętrzną (exterior) zakresu trzeciego z okręgiem o promieniu 5 km, wysokość okręgu. przyjęto na poziomie 200 m n.p.m. Na rysunku 3.3 przedstawiono zasięgi poszczególnych zakresów.

Rys. 3.3. Zasięgi poszczególnych zakresów

Tworzenie

numerycznego

modelu

terenu

na

podstawie

pomiarów

bezpośrednich przypomina kreślenie mapy płaskiej. Jako dane wejściowe posiadamy szkice polowe oraz współrzędne pikiet. Łącząc odpowiednie pikiety wprowadzamy AGH Kraków

11

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

linie nieciągłości, pikiety nie połączone stanowią punkty rozproszone. NaleŜy w tym miejscu jednak zwrócić uwagę aby usunąć ze zbioru punktów rozproszonych pikiety które symbolizują obiekty punktowe (słup, drzewo) oraz te które były stawiane na armaturze naziemnej uzbrojenia podziemnego. Te pierwsze bywa iŜ stawiane są na tzw. mimośrodzie celu (np. tuŜ przy drzewie) gdzie teren zazwyczaj lekko się unosi ku górze, to moŜe zafałszować faktyczny jego przebieg, natomiast te drugie odwzorowują wysokościowo

sztuczne

elementy,

które

mogą

całkowicie

nie

odpowiadać

poziomowi otaczającego je terenu. W przypadku posiadania

informacji iŜ daną pikietę naleŜy uwzględnić w NMT zostaje ona w zbiorze punktów rozproszonych. Przejście od surowych danych z terenu do NMT moŜe się odbyć na wiele sposobów. Najprostszym i najbardziej oczywistym wydaje się generowanie siatki trójkątów na podstawie zbioru punktów z podanymi współrzędnymi X, Y, Z zaimportowanego bezpośrednio do programu tworzącego NMT. Pojawia się wtedy problem

importu

linii

nieciągłości.

Oprogramowanie

Bentley

InRoads

jest

przystosowane do przetwarzania linii typu breakline W przypadku importu do tego programu linii nieciągłości z pliku tekstowego powinna się w nim znaleźć dodatkowa kolumna (tzw. PenCode), która daje informacje na temat poszczególnych linii nieciągłości. Przykładowo cyfra „1” umieszczona w tej kolumnie oznacza, iŜ dany punkt w danym wersie (dany rekord) jest początkiem linii nieciągłości, następujące po nim wersy powinny zawierać „0”. Gdy program napotka kolejny wers z „1” w tej kolumnie (kolumna PenCode) uzna go za początek następnej linii nieciągłości.

Rys. 3.4. Przykładowy plik wsadowy programu InRoads zawierający kolumnę PenCode

AGH Kraków

12

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Opisany sposób importu danych do utworzenia NMT jest bardzo szybki i wygodny, jednakŜe gdy mamy do czynienia z danymi z pomiaru bezpośredniego wydaje się być niepraktyczny, poniewaŜ wymagałby specjalnego rozdzielania i kodowania zbiorów pikiet. Kodowanie moŜna przeprowadzić w terenie, z tym Ŝe jest to bardzo czasochłonne i wymaga specyficznej techniki pomiaru. NaleŜy zachować ciągłość danych, czyli gdy zacznie się mierzyć, np. krawęŜnik, to naleŜałoby kolejne pikiety stawiać wzdłuŜ niego do momentu aŜ się on nie skończy, jak wiadomo jest to technicznie niewykonalne, chociaŜby ze względu na ograniczone wizury. W procesie produkcyjnym, gdy równolegle jest opracowywana mapa płaska i NMT najefektywniejszą wydaje się być inna metoda. A mianowicie po wykreśleniu mapy płaskiej (2D) usuwa się z jej treści wszelkie obiekty typu punktowego oraz opisy. W ten sposób pozostają punkty rozproszone i linie nieciągłości. Kolejnym krokiem jest wczytanie wszystkich pikiet jako tekst określający rzędną z offsetem 0,0 czyli punkt wstawienia tekstu określa miejsce pikiety na płaszczyźnie X, Y. Następnie przy wykorzystaniu aplikacji zewnętrznej do MicroStation podnosi się elementy rysunku na odpowiednią wysokość. Aplikacja czyta X, Y z punktu wstawienia tekstu, a rzędną Z przypisuje na podstawie wczytanego tekstu do wszystkich elementów zaczepionych w danym punkcie (dzięki temu podnoszą się równieŜ breakline-y). Otrzymany w ten sposób rysunek szkieletowy 3D jest importowany do programu InRoads, w którym to następuje generowanie NMT. Dokonuję się tego poprzez wybór komendy File\Import\Surface, następnie pojawia się okno dialogowe, gdzie moŜemy określić z jakich danych chcemy importować powierzchnię, czyli nasz NMT. Nas interesuje zakładka From Graphics – z grafiki, czyli z naszego rysunku szkieletowego 3D. MoŜemy tu określić do jakiej powierzchni ma nastąpić import, w tym przypadku jest to „teren istniejący”, skąd maja być importowane dane – Load From – do wyboru są opcje: Level – z określonej warstwy, Fence – ze zdefiniowanego ogrodzenia, Single Element – pojedynczy element wskazany przez uŜytkownika. Kolejny krok to określenie warstwy – Level – mggp – breakline-y. Opcja Elevations pozwala na określenie skąd mają być czerpane informacje o wysokości elementów. Use Element Elevations wykorzystuje wysokości na jakich znajdują się elementy – opcja wykorzystana w tworzeniu NMT, inne opcje w tym miejscu to Use Text – stosowana przy imporcie punktów typu Random, współrzędne X,Y pobiera z punktu wstawienia tekstu, natomiast jako rzędną przypisuje wartość tekstu, opcja Drape Surface pobiera X,Y z narysowanego elementu, natomiast Z jest AGH Kraków

13

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

określony po zrzutowaniu danego elementu na wskazaną powierzchnię Intercept Surface. Do kaŜdego importowanego elementu do NMT moŜna przypisać jego cechę – Feature i typ – Point Type. Feature Style jest to styl cechy i daje moŜliwość manipulowania sposobem w jaki będzie wyświetlany dany element, np. z jakimi atrybutami ma być wyświetlany w planie sytuacyjnym, a z jakimi w profilu lub przekroju, bądź tez czy w ogóle ma być wyświetlany. Point Type to typ importowanego punktu, elementu. Mamy tu do wyboru: Random – punkty rozproszone, Breakline – linie nieciągłości, Contour – warstwice, Interior – granica wewnętrzna NMT (obszar wykluczony z triangulacji, moŜe ich być nieskończenie wiele) oraz Exterior – granica zewnętrzna NMT (moŜe być tylko jedna, określona jako pojedynczy element, SHAPE lub COMPLEX SHAPE). Jest to tylko kilka najwaŜniejszych opcji, które znajomość wystarczy do zaimportowania danych do NMT.

Rys. 3.5. Okno dialogowe „Import Surface”

Po zaimportowaniu danych moŜna przystąpić do triangulacji powierzchni. Jak kaŜda operacja w Bentley InRoads tak i ta jest dostępna w wielu miejscach programu. Najprościej jest kliknąć prawym klawiszem myszy na nazwę wybranego NMT – powierzchni i wybrać opcję Triangulate. Program wykona triangulacje i poinformuje nas o skończonym procesie komendą Successful Completion. Przy tak obranej drodze nie mamy jednak dostępu do kilku waŜnych opcji triangulacji, dlatego teŜ lepiej pofatygować się do menu Surface\Triangulate Surface. AGH Kraków

14

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.6. Okno dialogowe „Triangulate Surface”

Dwie bardzo istotne opcje w tym miejscu to Extended Data Checks i Maximum Length. Pierwsza z nich sprawdza czy w danych źródłowych nie występują dwie przecinających się na róŜnych wysokościach linie nieciągłości. Jeśli takie się znajdą, program umieszcza je w raporcie i usuwa jedną z nich. Jest to o tyle niebezpieczne ze nie mamy wpływu na to który element jest usuwany. Dlatego teŜ lepiej przed importem danych do InRoads-a uŜyć narzędzi sprawdzających topologię rysunku. Druga opcja Maximum Lenght pozwala określić maksymalną długość boku trójkąta, ma to zastosowanie w przypadku gdy nie stosujemy linii typu exterior. W tym miejscu naleŜy równieŜ wspomnieć o często popełnianym błędzie, a mianowicie punktach o tym samych współrzędnych X i Y natomiast o róŜnej współrzędnej Z. Z matematycznego punktu widzenia takie dane nie pozwalają na zbudowanie powierzchni która jest funkcją X i Y. Dlatego teŜ naleŜy przed importem sprawdzić swoje dane pod tym kątem. PowyŜsza technologia jest stosowana w firmie „Transprojekt” Kraków i jest optymalna biorąc pod uwagę dostępne dane i konieczność równoległego opracowywania mapy płaskiej. Teren zawarty w zakresie pierwszym został właśnie utworzony tą metodą. Kolejny zakres stworzyły dane pozyskane dzięki uprzejmości firmy MGGP Aero z Tarnowa. Był to NMT wykonany na podstawie zdjęć lotniczych (nalot – koniec 2004 roku). Odwzorowanie rzeźby terenu zostało zachowane na poziomie zakresu pierwszego, natomiast nie ma mowy o precyzyjnym pomiarze dróg istniejących czy teŜ obiektów drogowych. Na potrzeby pracy magisterskiej otrzymano gotowy rysunek szkieletowy 3D, który bezpośrednio zaimportowano do programu InRoads.

AGH Kraków

15

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Zakres trzeci, to wektoryzacja mapy topograficznej w skali 1:10000. Punkty rozproszone, jak i warstwice wektoryzowano ręcznie. Punkty rozproszone były umieszczane jako teksty na wysokości 0 a następnie wyŜej wspomnianą aplikacją do MicroStation podnoszone na odpowiednią wysokość. Jak chodzi o warstwice to przed przystąpieniem do rysowania określonej warstwicy ustawiano odpowiednią aktywną głębokość (np. key-in - az=210) co zapewniało rysowanie jej na odpowiedniej wysokości. Po utworzeniu w ten sposób rysunku szkieletowego 3D był on importowany do InRoads-a, sczytane punkty jako random-y a warstwice jako contours-y. Naturalnym tokiem rozumowania jest iŜ program powinien łączyć trójkątami warstwice ‘i’ tylko i wyłącznie z warstwicą ‘i+1’ i/lub z warstwicą ‘i-1’. I w tym miejscu pojawił się problem. Algorytm programu nie zakazuje mu łączenia trójkątami elementów znajdujących się na tej samej wysokości, a jak wiadomo poszczególne warstwice to zbiory punktów w których Z=const. W pewnych przypadkach (przy duŜych krzywiznach warstwic) program wykonał trójkątowanie pomiędzy punktami tej samej warstwicy. Powstały w ten sposób powierzchnie nienaturalnie płaskie, które naleŜało usunąć . Po odnalezieniu takich miejsc ręcznie wprowadzono sztuczne breakline-y, które moŜna uznać za linie jednostajnego spadu. Poprowadzono je w taki sposób aby łączyły warstwice wyŜszą z niŜszą, przez co wymuszono na algorytmie inny sposób trójkątowania. Wersja 8.7 programu InRoads potrafi sobie radzić z tym zagadnieniem. Polega to na wprowadzaniu przez program linii

nazwanych

inferred

breaklines.

Na

ogół

wynik

takiej

operacji

jest

satysfakcjonujący, jednak są to elementy niemodyfikowalne, a co za tym idzie uŜytkownik nie ma wpływu na ich przebieg.

AGH Kraków

16

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.7. Warstwice zwektoryzowane z mapy topograficznej – surowe

Rys. 3.8. Przekrój wygenerowany z NMT zbudowanego na podstawie surowych warstwic

Rys. 3.9. Warstwice z automatycznie wprowadzonymi inferred breaklines

AGH Kraków

17

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.10. Przekrój wygenerowany z NMT zbudowanego na podstawie surowych warstwic i automatycznie wprowadzonych inferred breaklines

Rys. 3.11. Warstwice z ręcznie wprowadzonymi liniami jednostajnego spadu

Rys. 3.12. Przekrój wygenerowany z NMT zbudowanego na podstawie surowych warstwic i ręcznie wprowadzonych linii jednostajnego spadu

Jak moŜna zauwaŜyć na przedstawionych rysunkach najlepsze efekty daje ręczna edycja. Automatyczne generowanie inferred breaklines zmniejsza nakład pracy włoŜony w stworzenie NMT i eliminuje czynnik ludzki (wyszukiwanie wspomnianych płaskich miejsc) co ma duŜe znaczenie w przypadku gdy skala opracowania jest znaczna (np. kilkadziesiąt kilometrów NMT w pasie około 600 m.). AGH Kraków

18

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

W tym miejscu naleŜy się zastanowić czy zaoferowana przez automat dokładność jest wystarczająca. Na podstawie przeprowadzonej analizy i doświadczenia przy tworzeniu tak duŜych modeli, mogę ocenić, Ŝe jest wystarczająca. Wszystkie cztery zakresy poddano edycji końcowej, uzgodnienie styków pomiędzy nimi i przy uŜyciu oprogramowania Bentley InRoads Site 2004 Edition wygenerowano jeden NMT, następnie na jego podstawie siatkę trojkątów, która została wykorzystana w wizualizacji. Finalna liczba trójkątów wynosi około 82000. 3.3. P O Ł Ą C ZE N I E NMT

J EZ D N I Z T ER EN EM

Jedną z metod prezentacji NMT jest wyświetlenie siatki trójkątów. Jest to szybki sposób na wizualne skontrolowanie wyników pracy. Takie moŜliwości daje program InRoads, dokonuje się tego po wyborze narzędzia View Surface/Triangles.

Rys. 3.13. Wyświetlanie siatki trójkątów w programie InRoads

Następnie pojawi się okno w którym moŜemy decydować o podstawowych atrybutach wyświetlanych trójkątów (warstwa, kolor, styl linii, grubość) jak i równieŜ której powierzchni (NMT) mają one dotyczyć. Program InRoads moŜe mieć jednocześnie wczytanych nieskończenie wiele NMT.

AGH Kraków

19

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.14. Okno View Triangles

Otrzymane w ten sposób trójkąty tworzą zwartą powierzchnię, która obrazuje teren (rys.3.15).

Rys. 3.15. Siatka trójkątów w widoku izometrycznym

Jest to plątanina kresek, w której niewiele widać, aby pomóc wyobraźni, moŜna zmienić tryb wyświetlania w widoku przy uŜyciu ikony Zmień tryb wyświetlania w widoku i ustawić go np. na PHONG (rys 3.16).

AGH Kraków

20

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.16. Ustaw tryb wyświetlania widoku – funkcja Microstation

Taki zabieg pozwoli na wypełnienie trójkątów i lepszy efekty wizualny. Po zaznaczeniu opcji „Akceleracja Grafiki” wykorzystamy moŜliwości karty graficznej, przez co obracanie obiektami staje się płynniejsze (rys. 3.17).

Rys. 3.17. Siatka trójkątów w trybie wyświetlania PHONG

Gdy był gotowy model terenu istniejącego przystąpiono do jego syntezy ze stanem projektowanym. Pliki *.dtm dostarczone przez projektantów węzła zawierały NMT projektowanych jezdni wraz z nasypami i wykopami. Trasa zasadnicza była podzielona na cztery kilometrowe odcinki (osobne pliki *.dtm). Poszczególne łącznice, drogi poprzeczne i trasa S7 były w osobnych plikach. Na rysunku 3.18 przedstawiono widok siatki trójkątów stanu projektowanego (cieniowanie PHONGA).

AGH Kraków

21

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.18. NMT stanu projektowanego

W

celu

wykonania

szybkiej

wizualizacji

naleŜało

jedynie

połączyć

powierzchnie projektowane z terenem istniejącym (rys. 3.20). Jest to prosta operacja, którą moŜna wykonać przy pomocy narzędzia Surface\Edit Surface\Merge Surfaces w programie InRoads. W oknie Merge Surfaces (rys. 3.19) definiujemy powierzchnię istniejącą – Original, projektowaną – Design i docelową – Destination.

Rys. 3.19. Okno dialogowe „Merge Surfaces”

AGH Kraków

22

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.20. Z lewej teren istniejący, z prawej w połączeniu z projektowaną drogą

Jak widać operacja łączenie NMT pozwala dość szybko zobaczyć zmiany w krajobrazie i powinna być często wykorzystywana w procesie projektowania w celu wizualnego skontrolowania projektu. Jednak dla celów zaawansowanej wizualizacji taka forma przedstawienia drogi (tysiące pojedynczych trójkątów) jest nieprzydatna. Przy tak duŜej liczbie elementów niemoŜliwym jest manipulowanie nimi, lub teŜ nakładanie na nich tekstur. Z tego teŜ powodu w tym opracowaniu tysiące trójkątów potraktowano jako podkład dla stworzenia powierzchni narzędziami 3D programu MicroStation. Aby teren poza zakresem robót ziemnych pozostał w niezmienionej formie, z poszczególnych plików *.dtm wydzielono ich exterior-y (w InRoads – Surface\View Surface\Perimeter). Następnie łącząc je po zewnętrznej granicy utworzono obiekt typu COMPLEX SHAPE który posłuŜył jako interior w generowaniu NMT terenu istniejącego nie obejmującego obszaru projektowanego węzła (rys. 3.21). Do tak powstałego rysunku naleŜało jeszcze dołoŜyć teren, który pozostał niezmieniony w obrębie samej inwestycji, w tym celu korzystając ze wspomnianych wcześniej exterior-ów utworzono piętnaście mniejszych obszarów i traktując je jako exterior-y, kaŜdy z osobna, wygenerowano piętnaście małych NMT uzupełniających teren istniejący wewnątrz projektowanego węzła (rys. 3.22).

AGH Kraków

23

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 3.21. NMT terenu istniejącego utworzony z zewnętrznych granic Exterior-ów projektowanych dróg

Rys. 3.22. NMT terenu istniejącego uzupełniony o niezmienione obszary wewnątrz węzła

AGH Kraków

24

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

3.4. M O D EL O W AN I E

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

3D

W P R Z ES TR Z EN I

Tworzenie elementów w przestrzeni 3D zgoła odbiega od rysowania w przestrzeni 2D, dochodzi dodatkowy wymiar głębokość/wysokość – Z. Aby nad tym zapanować program MicroStation posiada wiele pomocnych narzędzi. Podstawowym z nich jest AccuDraw , które uwzględnia takie parametry jak bieŜące połoŜenie wskaźnika, poprzednio wprowadzony punkt danych, ostatnie współrzędne, wymagania bieŜącego narzędzia oraz wszelkie informacje wprowadzone przy uŜyciu wpisań lub opcji AccuDraw. Narzędzie to tworzy następnie odpowiednie dokładne współrzędne i przekazuje je do aktywnego narzędzia edycyjnego (np. rysuj linię). AccuDraw zachowuje się jak przykładnica

na

desce

kreślarskiej,

pomaga

w definiowaniu

i korzystaniu

z pomocniczych układów współrzędnych (PUW), obraca płaszczyznę rysunkową do interesującego nas widoku, blokuje poszczególne wartości X, Y, Z oraz posiada wiele ułatwiających pracę funkcji. Ponadto wiele z tych funkcji jest zakodowana pod edytowalnymi skrótami klawiszowymi AccuDraw, co bardzo ułatwia pracę. W trakcie rysowania w 3D często zdarza się iŜ elementy w widoku przesłaniają

się.

Aby

tego

uniknąć

powinno

się

korzystać

w

funkcji

Ustaw głębokość wyświetlania dostępnej z palety Kontrolka widoku.

Rys. 3.23. Paleta Kontrolka widoku, narzędzie Ustaw głębokość wyświetlania

Przy pomocy Ustaw głębokość wyświetlania definiujemy przednią i tylną granicę wycięcia dla danego widoku. Po ich zdefiniowaniu naleŜy jeszcze w Atrybutach widoku włączyć Wycięcie przednie i Wycięcie tylne. W ten sposób moŜemy ograniczyć widoczność elementów do interesującego nas zakresu głębokości. 3.4.1. T W O R ZE N I E

P O W IE R Z C HN I

Bazując na trójkątach wygenerowanych z dostarczonych przez projektantów NMT projektowanych dróg wyrysowano w przestrzeni krawędzie elementów zasadniczych takich jak: jezdnie, pasy rozdzielające jezdnie, pobocza, skarpy. Dysponując krawędziami poszczególnych elementów moŜna było przystąpić do AGH Kraków

25

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

tworzenia powierzchni. Wykorzystano do tego narzędzie Utwórz powierzchnię z krawędzi (Metoda 3 krawędzi: Płat z N-bokami) (rys. 3.24).

Rys. 3.24. Paleta Utwórz powierzchnie, narzędzie Utwórz powierzchnię z krawędzi

Narzędzie to tworzy powierzchnię B-splajn pomiędzy wskazanymi elementami tworzącymi obszar zamknięty. Jako elementy tworzące powierzchnię mogą być wykorzystane linie, łańcuchy linii, wielokąty, łuki, krzywe, krzywe B-splajn, łańcuchy złoŜone i wielokąty złoŜone, co daje bardzo duŜe moŜliwości. NaleŜało w tym miejscu jednak zwrócić uwagę na to aby elementy tworzące powierzchnię nie układały się w zbyt skomplikowane kształty. W takich sytuacjach program gubił się i wyniki operacji Utwórz powierzchnię nie były zadowalające. Trzeba było podzielić dany element na bardziej elementarne fragmenty (rys. 3.25b).

a) trójkąty wygenerowane w InRoads

b) model krawędziowy

c) model powierzchniowy

d) cieniowanie PHONGA

Rys. 3.25. Przejście z trójkątów wygenerowanych na podstawie NMT (a) do wypełnionego modelu powierzchniowego (d)

AGH Kraków

26

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

3.4.2. T W O R ZE N I E

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

E L EM EN TÓ W B R Y Ł O WY C H

Kolejnym krokiem w wizualizacji było stworzenie obiektów mostowych. Jako materiał od projektantów posłuŜyły rzuty i przekroje poszczególnych wiaduktów. Te elementy modelu węzła powstały jako bryły. W całej wizualizacji występuje dziewięć obiektów mostowych, kaŜdy z nich jest stworzony inną metodą. Był to swego

rodzaju

poligon

doświadczalny.

PoniŜej

zostanie

opisana

metoda,

która wymagała najmniejszego nakładu pracy i dała zadowalające rezultaty. Praca nad kaŜdym z obiektów rozpoczynała się od stworzenia jego osi (niwelety). Do tego celu wykorzystano rzut z góry i przekrój podłuŜny. W pierwszej kolejności rysowano na podkładzie rzutu z góry łuk zawierający oś obiektu. Następnie wykorzystując przekrój podłuŜny tworzono drugi łuk, który przy uŜyciu narzędzia Przesuń profil z palety Konstruowanie 3D rozciągano w obu kierunkach do powierzchni, powierzchnia ta

odwzorowywała

krzywiznę

obiektu

w

pionie.

Mając powierzchnię krzywizny obiektu w pionie oraz łuk odpowiadający za krzywiznę obiektu w poziomie, moŜna było przystąpić do tworzenia krzywej przestrzennej (osi obiektu, niwelety). Dokonano tego poprzez rzutowanie łuku poziomego na utworzoną powierzchnię przy uŜyciu narzędzia Wytnij przez rzutowanie z palety Modyfikuj powierzchnie. Operację tą najlepiej wykonać w widoku z góry a w opcjach narzędzia wybrać Kierunek – Widok, Tryb wyjściowy – Rzutuj krzywą. W wyniku otrzymamy krzywą przestrzenna B-splajn, która odpowiada rzeczywistej niwelecie obiektu. Przed przystąpieniem do tworzenia brył naleŜało jeszcze krzywą B-splajn zastąpić łukiem. Wystarczyło tylko narysować nowy element typu łuk (Metoda – Względem krawędzi) snapując się odpowiednio do początku, punkt środkowego i końcowego krzywej B-splajn. Często zdarzało się tak, Ŝe początek i koniec wiaduktu nie były prostopadłe do jego osi, naleŜało wtedy oś wydłuŜyć o taką wartość, aby element prostopadły do niej zawierał się w obiekcie. Kolejnym krokiem było stworzenie przekroju poprzecznego obiektu (rys. 3.26), a dokładniej wszystkich elementów w nim występujących, tj. jezdni, chodników, krawęŜników i samej płyty wiaduktu. Do tego celu wykorzystano przekroje

AGH Kraków

27

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

dostarczone przez projektantów. Przekroje tych elementów powinny być narysowane jako elementy zamknięte typu SHAPE.

Rys. 3.26. Przekrój obiektu mostowego

Posiadając wydłuŜoną odpowiednio oś obiektu i przekroje poprzeczne jego zasadniczych elementów moŜna było przystąpić do tworzenia samego obiektu. Przeniesiono oś obiektu w taki sposób swym początkiem była zaczepiona w odpowiednim miejscu przekroju poprzecznego jezdni (rys. 3.27a). Następnie wykorzystując narzędzie Rozciągnij po ścieŜce z palety Konstruowanie 3D

(przy ustawieniach: Typ – Bryła,

Dołączenie – Profil do ścieŜki) utworzono obiekt (rys. 3.27b).

a) przekrój wiaduktu „zaczepiony” do ścieŜki

b) bryły wiaduktu utworzone narzędziem Rozciągnij po ścieŜce

AGH Kraków

28

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

c) bryły wiaduktu zwizualizowane cieniowaniem PHONGA Rys. 3.27. Kolejne etapy tworzenia wiaduktu (a, b, c)

Był to oczywiście obiekt za długi (wydłuŜona ścieŜka), a jego początek i koniec nie odpowiadały projektowi (prostopadłe do osi). Utworzono dwa prostopadłościany pomocnicze i ustawiono je tak aby jedna z płaszczyzn zawierała odpowiednio początek i koniec wiaduktu, a „zbędna” część obiektu mieściła się wewnątrz prostopadłościanu (rys. 3.28). Dalej wykorzystując operacje logiczne na bryłach (Utwórz róŜnicę z palety Modyfikuj 3D z opcją Zachowaj oryginały – Ostatni) skrócono obiekt do Ŝądanych rozmiarów.

Rys. 3.28. Bryły wiaduktu przed (z lewej) i po (z prawej) wykonaniu operacji logicznej róŜnicy (widok z góry)

Tworzenie przyczółków polegało na stworzeniu jego przekroju i rozciągnięciu go po ścieŜce utworzonej na podstawie przekroju poprzecznego obiektu. Podpory utworzono przy pomocy narzędzia Umieść walec z palety Prymitywy 3D. Rysowano je w widoku z

góry

dobierając

odpowiednie

parametry

(promień

i wysokość) na podstawie rysunków projektowych (rzut z góry, widok z boku).

AGH Kraków

29

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

W kaŜdym z obiektów jako element dodatkowy umieszczono jeszcze łoŜyska łączące podpory z płytą wiaduktu. Narysowano połowę ich przekroju a następnie wykorzystując narzędzie Utwórz element przez obrót z palety Konstruowanie 3D

(przy ustawieniach: Typ –

Bryła, Oś – Z ekranu, Kąt – 360°) stworzono bryły. Po

utworzeniu

obiektu

bryłowego

naleŜało

go

jeszcze

umieścić

w odpowiednim miejscu w przestrzeni. Zrobiono to dwustopniowo. Najpierw nasunięto obiekt we właściwe miejsce w płaszczyźnie XY, a następnie sczytując rzędne z przekroju podłuŜnego podniesiono obiekt do góry. 3.4.3. T W O R ZE N I E

B U D Y N KÓ W

Budynki w wizualizacji naleŜy traktować poglądowo, tzn. ich umiejscowienie jest jak najbardziej rzeczywiste (na podstawie materiałów z ODGiK), wysokości zbliŜone do rzeczywistych, ale samo wykończenie poszczególnych budowli nijak się ma do rzeczywistości. Są one wszystkie koloru szarego, a dachy mają płaskie. Jako materiał wejściowy posłuŜyły obrysy budynków dostarczone przez ODGiK w pliku *.dgn 2D. NaleŜało z nich stworzyć bryły, gdzie kaŜda z nich powinna „leŜeć” na istniejącym terenie. Przy małej liczbie elementów moŜna by się skusić o ręczne edytowanie kaŜdego budynku. W tym przypadku (ponad 4000 obrysów) było to nie dopuszczalne. Pierwszym krokiem w automatyzacji tego procesu było stworzenie z obrysów budynków elementów typu SHAPE (wykorzystano w tym celu aplikacje Nagnet). Następnie tak powstałe elementy zrzutowano na NMT (narzędzie Drape Surface z palety Design Surface programu InRoads). Gdy obrysy budynków „leŜały” na istniejącym terenie wystarczyło utworzyć z nich tylko bryły odpowiedniej wysokości. Do tego celu słuŜy narzędzie Przesuń profil z palety Konstruowanie 3D programu MicroStation (przy ustawieniach: Tryb – bryła, Ortogonalny – zaznaczone, Odległość – tutaj wysokość poszczególnych budynków). Ten krok zautomatyzowano przy pomocy makra mojego autorstwa [zał. 2]. Przed zastosowaniem makra naleŜało jeszcze opisy zawarte na mapie zasadniczej (g, i, m, m2 itd.) zamienić na liczby przedstawiające wysokość budynku. Przyjęto iŜ wysokość jednej kondygnacji wynosi 3 m i dodano 1 m na podmurówkę. W ten sposób budynek opisany na mapie zasadniczej jako „m” dostał atrybut wysokości o wartości 4, odpowiednio „m2” – 7 itd.

AGH Kraków

30

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Makro wyszukuje w rysunku obiekty typu SHAPE znajdujące się na określonej warstwie i określonego koloru, następnie zakłada na taki element Ogrodzenie i wyszukuje wewnątrz ogrodzenia tekst, który zawiera Ŝądaną wysokość budynku. Po odnalezieniu tekstu „wyciąga” pionowo do góry profil (obrys budynku) tworząc bryłę o określonej wysokości. Taki sposób tworzenia budynków jest szybki, ale posiada pewne wady. OtóŜ, gdy budynek jest zbudowany na zboczu wzniesienia, to wtedy jego obrys zrzutowany na NMT jest pochyły. Po wyciągnięciu go do góry dach równieŜ jest pochyły (rys. 3.29). Z tego powodu budynki są traktowane jako dodatek i tło dla wizualizacji.

Rys. 3.29. Przykład stworzonego budynku, który jest „krzywy”

3.4.4. T W O R ZE N I E

E L EM EN TÓ W P O WT A R Z AJ Ą CY CH S IĘ

W modelu węzła występuje duŜo elementów powtarzających się, np. latarnie. Aby zaoszczędzić pracy i w pełni wykorzystać moŜliwości programu MicroStation przyjęto zasadę modelowania jednego z elementów, a następnie powielano go o

Ŝądaną ilość razy. Powielanie następowało na dwa sposoby. Zwykłe

kopiowanie w odpowiednie miejsce lub tworzenie stylu linii 3D. Elementami kopiowanymi były słupki barier energochłonnych, barieroporęczy, słupki ekranów akustycznych i same ekrany na obiektach mostowych. Słupki barier na wiaduktach rozmieszczone są w odległości 1 m od siebie. Przy długości obiektu około 100 m ręczne kopiowanie wymagałoby 200 operacji w celu uzyskania efektu końcowego (rys. 3.30).

Jako Ŝe obiekty są utworzone po

ścieŜkach będących łukami ograniczono się do wstawienia pierwszego słupka AGH Kraków

31

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

bariery a następne utworzono przy uŜyciu narzędzia Utwórz układ z palety Manipuluj (przy ustawieniach: Typ tablicy – Biegunowa, Elementy – w zaleŜności od długości obiektu, Kąt przyrostu – obliczony na podstawie promienia krzywizny obiektu, Obróć elementy – zaznaczone, aby słupki obracały się prostopadle do osi obiektu).

Rys. 3.30. Barieroporęcz na jednym z obiektów

W podobny sposób tworzono ekrany na obiektach mostowych, z tą jednak róŜnicą Ŝe w przypadku ekranów powielano rzut ekranów z góry przy uŜyciu narzędzia Utwórz układ. Powielone elementy znajdowały się na jednej wysokości nad obiektem. Następnie rzutowano je na powierzchnię wiaduktu i wyciągano na odpowiednią wysokość tworząc bryły (podobnie jak budynki). Mając słupki barier pozostało utworzyć samą barierę energochłonną. Odbywało się to przez umieszczenie przy pierwszym słupku przekroju bariery a następnie rozciągnięcie go po ścieŜce, która była łukiem przechodzącym wzdłuŜ pozostałych słupków. WyŜej opisane kopiowanie nie sprawdza się w przypadku duŜej ilości elementów docelowych i złoŜonej ścieŜki wzdłuŜ której mają się one znaleźć, np. bariery i latarnie wzdłuŜ jezdni. Jedynym słusznym rozwiązaniem w takim przypadku wydaje się być stworzenie stylu linii 3D. Polega to na wymodelowaniu jednego elementu, a następnie zdefiniowaniu takiego stylu linii, który w swoich wierzchołkach AGH Kraków

32

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

będzie umieszczał ów element. W opracowaniu modelu Węzła „BieŜanów” w ten sposób wyrysowano większość latarni (rys. 3.31) oraz słupki barier energochłonnych wzdłuŜ dróg. Mając wymodelowany pojedynczy element, np. latarnię, przechodzimy do okna Element\Rodzaj linii\Edycja. W tym miejscu musimy utworzyć z naszej latarni symbol punktu, który będzie wstawiany w wierzchołkach linii. Zaznaczamy latarnię ogrodzeniem. Tworzymy nowy składnik stylu linii – Punkt i klikamy w ikonkę Utwórz aby utworzyć symbol punktu, jako początek symbolu wybieramy środek podstawy latarni. Następnie umieszczamy symbol latarni w Początku, Wierzchołku i Końcu linii, klikając w odpowiednią ikonkę i wybierając Wybierz. W razie potrzeby naleŜy symbol obrócić. Po utworzeniu odpowiednich stylów linii przystąpiono do rysowania latarni i słupków barier w modelu. Rysując latarnie za podkład posłuŜył projekt oświetlenia węzła, skąd czerpano lokalizacje poszczególnych elementów. Tworzono linię łamaną na stałej wysokości (ponad utworzonymi wcześniej poboczami i skarpami) o

wierzchołkach

w

miejscu

projektowanych

latarni,

następnie

rzutowano

je na projektowaną powierzchnię terenu. Po zrzutowaniu linia łamana zmieniała się na krzywą B-splajn, przerysowywano ją narzędziem Umieść SmartLine z palety Elementy liniowe wierzchołki umieszczając w miejscach projektowanych latarni. Tą metodą w bardzo szybki sposób umieszczono w modelu około 340 latarni.

Rys. 3.31. Latarnie jako styl linii 3D

AGH Kraków

33

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Podobną metodę zastosowano przy słupkach barier energochłonnych. Jednak po zrzutowaniu ścieŜki wzdłuŜ której miały się znaleźć słupki na powierzchnię projektowanego terenu, nie przerysowywano krzywej B-splajn, tylko ją rozbijano na łańcuch linii równej długości przy uŜyciu narzędzia Rozbij krzywą B-splajn z palety Modyfikuj Krzywe (przy ustawieniach: Rozbij na – Łańcuch linii, Metoda – Cięciwy równej długości, Liczba -

w zaleŜności od długości odcinka – przyjęto

zasadę, Ŝe słupki powinny się znajdować około 10 m od siebie, w rzeczywistości są rozmieszczone gęściej). Zmieniając styl utworzonego łańcucha linii otrzymano dziesiątki słupków ustawionych wzdłuŜ jezdni. Samą barierę przy słupkach tworzono analogicznie jak na wiaduktach. NaleŜy w tym miejscu dodać iŜ same słupki jak i przekrój bariery wzdłuŜ dróg są bardzo uproszczonymi modelami, natomiast te na obiektach mostowych są jak najbardziej zbliŜone do rzeczywistych (rys. 3.32, rys. 3.33). Uproszczenie to było podyktowane rozmiarami plików i ograniczeniami sprzętowymi komputera.

Rys. 3.32. RóŜnica w skomplikowaniu słupków zastosowanych na obiektach mostowych (z lewej), a tych zastosowanych wzdłuŜ pozostałych dróg (z prawej)

Rys. 3.33. RóŜnica w skomplikowaniu profili barier energochłonnych zastosowanych na obiektach mostowych (z lewej), a tych zastosowanych wzdłuŜ pozostałych dróg (z prawej) AGH Kraków

34

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Kolejnymi elementami do których narysowania wykorzystano style linii było oznakowanie poziome dróg. Ułatwiło to pracę nad tym etapem opracowania, a osiągnięty rezultat jest zadowalający. Po utworzeniu szeregu stylów linii „malowanie” jezdni polegało na wyrysowaniu całego oznakowania w rzucie z góry na stałej wysokości (wyŜej niŜ projektowane jezdnie), następnie na zrzutowaniu go na wspomniane jezdnie. Wystarczyło jeszcze tylko podnieść je o kilka centymetrów, aby przez przypadek nie przenikały się z asfaltem (rys. 3.34).

Rys. 3.34. „Malowanie jezdni” z lewej widać linie proste, które z prawej zmieniły się w strzałki po włączeniu w Atrybutach widoku opcji Rodzaje linii

Etap tworzenia projektu w przestrzeni 3D pozwolił opanować metody tworzenia powierzchni, modelowania brył począwszy od tych mniej do bardziej skomplikowanych. Zaznajomiono się teŜ z regułami rządzącymi stylami linii (w tym 3D) co bardzo przyspiesza proces tworzenia sceny. W rezultacie powstał trójwymiarowy model projektowanego węzła oraz zbiór elementów dodatkowych (biblioteka komórek z latarniami, słupkami barier oraz plik stylów linii programu MicroStation z latarniami i oznakowaniem poziomym).

AGH Kraków

35

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

4. RENDERING MODELU, NAŁOśENIE TEKSTUR Rendering jest to proces wizualizowania modelu 3D poprzez wyświetlanie wypełnionych powierzchni. W programie MicroStation zawarto szereg algorytmów rendering-u, począwszy od tych najprostszych (Linie niewidoczne wypełnione, Gładkie i Phonga) do skomplikowanych foto-realistycznych trybów (Śledzenie promieniem, Radiosity i Śledzenie Cząsteczek). 4.1. P O R Ó WN AN IE

T E C HN I K R EN D ER IN G U

Czynnikiem decydującym o wyborze trybu renderingu jest przeznaczenie efektów końcowych. Zasadniczo moŜna je podzielić na dwie grupy: interaktywne – gdzie waŜniejsza jest szybkość generowania

-

obrazów. Stosuje się je przy opracowaniu koncepcyjnych obrazów lub animacji. MoŜna teŜ ich uŜyć przy bardziej skomplikowanych scenach, gdzie elementy mają przypisane podstawowe charakterystyki materiałów. foto-realistyczne – gdzie wymagany jest realizm. Obrazy tworzone

-

tymi trybami wymagają poświecenia więcej czasu i uwagi na zdefiniowanie charakterystyk materiałów. W trybach Radiosity i Śledzenie cząsteczek uŜywane są rzeczywiste parametry oświetlenia (lumeny). W Śledzeniu promieniem, parametry rzeczywiste są brane pod uwagę, gdy w oknie dialogowym Śledzenie promieniem jest włączona opcja Rzeczywiste oświetlenie. W

interaktywnych

trybach

renderingu

jest

uwzględnione

tylko

proste

oświetlenie, tzn. widać tylko efekty bezpośredniego oświetlenia elementów, niewidoczne są: światło odbijane przez elementy sąsiednie, odbicia (w tym lustrzane) i załamania światła.

AGH Kraków

36

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Tabela 4.1. Interaktywne tryby renderingu w MicroStation Tryb

Opis

Siatkowe

ZbliŜony to szkieletowego trybu wyświetlania (standardowy widok w MicroStation). Wszystkie elementy są przeźroczyste i nie zasłaniają się nawzajem. Widoczne są wszystkie krawędzie. Powierzchnie niepłaskie reprezentowane są przez siatkę wielokątów – zwiększa to realizm jednak zaśmieca widok dodając większą liczbę kresek, które normalnie byłyby niewidoczne.

Linie niewidoczne

Wyświetlone są tylko te części elementów, które byłyby widoczne w rzeczywistości. Linie niewidoczne (za obiektami) są usunięte. Tryb ten nazywany jest równieŜ „wielokątowym”, jako Ŝe w pierwszej kolejności kaŜdy element jest konwertowany na siatkę wielokątów (w pamięci komputera) a dopiero później wyświetlany. Z powodu tych obliczeń tryb renderingu linie niewidoczne jest bardziej czasochłonny niŜ siatkowy i szkieletowy.

Podobny do linii niewidocznych z tym wyjątkiem, Ŝe wielokąty są wypełnione kolorami elementów które tworzą. Tryb ten tworzy „efekt kreskówki”, który w pewnych okolicznościach moŜe okazać się Linie niewidoczne wypełnione uŜyteczny, zwłaszcza przy sprzęcie, który moŜe wyświetlać ograniczoną liczbę kolorów. Tryb linii niewidocznych wypełnionych jest równieŜ nazywany „wielokątowym wypełnionym”.

Jednorodne

Powierzchnie są wyświetlane jako jeden lub wiele wielokątów, gdzie kaŜdy z nich jest wypełniony pojedynczym (niezmiennym) kolorem. Kolor kaŜdego z wielokątów jest określony poprzez definicję (charakterystykę) przypisanego do powierzchni materiału jak równieŜ zastosowanego oświetlenia.

Gładkie

Ten tryb jest analogiczny do poprzedniego, jednakŜe powierzchnie niepłaskie wyglądają bardziej realistycznie. Kolory w tym trybie są obliczane na wierzchołkach wielokątów a następnie jest zastosowane łagodne przejście pomiędzy nimi. Daje to gładki wygląd powierzchni.

Phonga

Tryb Phonga znacznie róŜni się od jednorodnego i gładkiego, poniewaŜ w nim kolor kaŜdego z pikseli jest obliczany osobno – jest to uŜyteczne, gdy wymagana jest wyŜsza jakość przedłoŜona nad szybkość pozyskania obrazu.

AGH Kraków

37

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 4.1. Tryb renderingu Siatkowe (z lewej) i Linie niewidoczne (z prawej)

Rys. 4.2. Tryb renderingu Linie niewidoczne wypełnione (z lewej) i Jednorodne (z prawej)

Rys. 4.3. Tryb renderingu Gładkie (z lewej) i Phonga (z prawej)

Foto-realistyczne tryby renderingu są stosowane, gdy istnieje konieczność generowania wysoce realistycznych obrazów. Uwzględniają one oświetlenie bezpośrednie jak i pośrednie, np. odbicia i załamania światła. Aby uzyskać dobre efekty dzięki tym trybom naleŜy zwrócić uwagę na odpowiednie dobranie parametrów uŜytego

w scenie

oświetlenia

jak

i poprawną

charakterystykę

materiałów

(zdefiniować jak najbardziej rzeczywiste parametry).

AGH Kraków

38

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Tabela 4.2. Foto-realistyczne tryby renderingu w MicroStation Tryb

Opis

Śledzenie promieniem

Foto-realistyczny tryb, w którym obraz jest generowany poprzez symulowanie przebiegu promieni światła wewnątrz sceny 3D. Tryb ten nie wyświetla promieni rozproszonych. W rzeczywistości promienie światła są emitowane przez jedno lub więcej źródeł i odbijając się od róŜnych obiektów trafiają do oka obserwatora. W przeciwieństwie do świata rzeczywistego algorytm śledzenia promieniem śledzi promienie w przeciwnym kierunku, począwszy od oka obserwatora (kamera) poprzez kaŜdy piksel w widoku do widocznych obiektów.

Radiosity

Radiosity to wyrafinowany algorytm, która oblicza światło, które jest odbijane pomiędzy dwoma rozpraszającymi je powierzchniami. Jest uŜywany, aby pokazać efekt „zalewania kolorem” (gdy kolor jednej z powierzchni emanuje na powierzchnię sąsiednią) oraz efekt rozproszenia światła pośredniego. Radiosity (w przeciwieństwie do Śledzenia promieniem) nie jest algorytmem renderingu (wizualizacji) samym w sobie, jedynie generuje rozwiązanie dla oświetlenia (niezaleŜne od widoku), które z kolei moŜe być wykorzystane w trybie Śledzenia promieniem, aby uzyskać bardzo realistyczne obrazy zawierające efekty światła rozproszonego.

Śledzenie cząsteczek

Podobnie jak Radiosity nie jest to samowystarczalny tryb renderingu a jedynie algorytm tworzący rozwiązanie dla oświetlenia globalnego. Jest to alternatywa dla starszego Radiosity, poniewaŜ ma mniejsze zapotrzebowanie na zainstalowaną w komputerze pamięć operacyjną. Rozwiązanie Śledzenia cząsteczek jest bezpośrednio zapisywane na dysk twardy, a co za tym idzie moŜna przy jego pomocy generować sceny o teoretycznie nieograniczonych rozmiarach. Wynik algorytmu jest niezaleŜny od widoku, więc raz wygenerowany moŜe być uŜyty do wyświetlenia obrazu z dowolnego innego punktu widzenia. Jest to przydatne przy tworzeniu animacji.

Rys. 4.4. RóŜnica pomiędzy trybem Phonga (z lewej), a trybem Śledzenie promieniem (z prawej)

AGH Kraków

39

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 4.5. RóŜnica pomiędzy trybem Śledzenie promieniem (z lewej), a trybem Śledzenie promieniem z wykorzystaniem rozwiązania Radiosity (z prawej)

Rys. 4.6. RóŜnica pomiędzy trybem Śledzenie promieniem (u góry), a trybem Śledzenie promieniem z wykorzystaniem rozwiązania Śledzenia cząsteczek (u dołu)

Analizując wyŜej opisane tryby renderingu wybrano jako docelowy do wykonania wizualizacji tryb Śledzenia promieniem (Raytrace), było to podyktowane brakiem potrzeby ukazania zakrzywień oraz rozproszeń światła. Decydującym jednak czynnikiem była moc obliczeniowa komputera i czas potrzebny na wygenerowanie wizualizacji.

AGH Kraków

40

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

W trakcie pracy nad modelem wykonano szereg prób z róŜnymi ustawieniami renderingu. Cały czas starano się osiągnąć efekt realistycznych cieni słonecznych przy jednoczesnym doświetleniu zacienionych miejsc. Parametry pozwalające osiągnąć ten cel definiuje się wybierając Ustawienia\Rendering\Oświetlenie Ogólne.

Rys. 4.7. Okno dialogowe „Oświetlenie ogólne”

Otoczenie – ilość światła otaczającego (wszechobecnego). Jednolicie oświetla wszystkie powierzchnie. UŜyte w celu doświetlenia miejsc pod obiektami mostowymi i zacienionych przez budynki. Nie generuje cieni. Flesz – wstawia światło punktowe w pozycji oka obserwatora (kamery). Według wszelkich wskazówek ten typ oświetlenie powinien być wyłączony przy tego rodzaju opracowaniu, jednakŜe jego uŜycie poprawiało efekt wizualny (rys. 4.8). Nie generuje cieni.

Rys. 4.8. Jedna z klatek animacji bez włączonego Flesza (po lewej) i z Fleszem = 0.3 (po prawej) AGH Kraków

41

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Słońce – symulacja oświetlenia słonecznego. Po włączeniu opcji Cienie słoneczne generuje cienie. MoŜna w tym miejscu zdefiniować połoŜenie słońca poprzez podanie szerokości i długości geograficznej renderowanej sceny. Wybrano najbliŜsze Krakowa miasto z predefiniowanej listy, tj. Warszawę. Ponadto moŜna określić datę i porę dnia (godz. i minuty) co pozwala manipulować wysokością słońca nad horyzontem, a przez co długością generowanych cieni. Rozdzielczość cieni słonecznych nie ma wpływu na rendering trybem Śledzenia promieniem. Dodaj światło nieba do oświetlenia słonecznego i odległego – pozwala manipulować przejrzystością powietrza (np. Wiejskie, Miejskie, Przemysłowe), zachmurzeniem oraz odbiciem promieni słonecznych od gruntu. Opcja pominięta ze względu na znaczne wydłuŜanie czasu renderingu przy niekoniecznie lepszych efektach. Po zdefiniowaniu parametrów oświetlenia dla animacji przystąpiono do definiowania ustawień trybu renderingu Śledzenie promieniem. Okno dialogowe dostępne w miejscu Ustawienia\Rendering\Śledzenie promieniem.

Rys. 4.9. Okno dialogowe „Śledzenie promieniem”

Cieniowanie – decyduje o generowaniu cieni. W wykonanej animacji ustawienie to było włączone. Odbicia – decyduje o generowaniu odbić dla materiałów, które w swojej charakterystyce mają ten atrybut większy od 0. Wartość maksymalna określa ile ma

AGH Kraków

42

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

być tworzonych odbić dla pojedynczego promienia. W wykonanej animacji zachowano domyślną wartość 2. Przeźroczystość – decyduje o uwzględnieniu materiałów przeźroczystych. Aby zadziałało naleŜy jednocześnie mieć włączoną przeźroczystość w widoku (Ustawienia\Rendering\Atrybuty widoku). Dotyczy równieŜ materiałów, które wykorzystują tekstury z przeźroczystym tłem. Wartość maksymalna określa ile ma być generowanych promieni przeniesionych przez przeźroczysty element w przeliczeniu na jeden promień docierający do oka obserwatora (kamera). W wykonanej animacji zachowano domyślną wartość 8. Mapy środowiskowe – decyduje o widoczności map środowiskowych (obrazów umieszczonych na płaszczyznach wirtualnego sześcianu okalającego scenę, odbijają się one od błyszczących elementów). Opcja nie uŜywana, ze względu na zwiększanie czasu renderingu i znikome efekty. Efekt Fresnela – gdy włączone sprawia, Ŝe obiekty przeźroczyste ze zdefiniowanym w charakterystyce materiału atrybutem odbicie większym od 0, obserwowane pod ostrym kątem wydają się być bardziej lustrzane niŜ przeźroczyste. Efekt ten zwiększa realizm dlatego w wykonanej animacji został uŜyty. Szybkie wyświetlanie – gdy włączone pozwala na szybsze obejrzenie efektów pracy komputera. Obraz wyświetlany jest w wielu przejściach. Pierwsze pokazuje kadr renderowany w niskiej rozdzielczości, tzn. rozmiar widoku jest docelowy, natomiast liczba pikseli bardzo niska, powstaje efekt pikselyzacji, kolejne przejścia dąŜą do finalnej liczby pikseli w widoku. Renderuj wszystkie obiekty – decyduje o tym czy mają być renderowane wszystkie obiekty w rysunku dgn (te na widocznych warstwach) czy tylko te, które widzimy w danym widoku. Zastosowane przy animacji. Stworzono jedno rozwiązanie Śledzenia promieniem i zapisano je na dysk, następnie wykorzystano do wszystkich klatek. Znacznie przyspieszyło cały proces. Rzeczywiste oświetlenie – wprowadza rzeczywiste wartości oświetlenia do sceny. Powoduje Ŝe moc uŜytych źródeł światła maleje z kwadratem odległości od nich. Ma zastosowanie przy studium oświetlenia, np. dróg. Gdy włączone moŜna regulować wyrenderowaną scenę suwakami Jasność i Kontrast w oknie dialogowym Rendering. W wykonanej animacji włączone. Antyaliasing – wygładzanie krawędzi. Znacznie wydłuŜa proces renderingu, jednak konieczne dla animacji. Zastosowano wartości domyślne. AGH Kraków

43

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

4.2. M A T ER I AŁ Y ,

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

T E K S TU R Y

W MicroStation definicje charakterystyk materiałów są zawarte w plikach *.pal (palety materiałów), natomiast informacje o wykorzystanych dla danego pliku dgn paletach, zdefiniowanych przypisaniach i dołączeniach materiałów w plikach *.mat (tablice materiałów). Poprzez przypisanie materiału określamy warstwę i kolor, dzięki temu wszystkie elementy spełniające to kryterium będą miały przypisany dany materiał. Dołączenie materiału pozwala wybrać pojedynczy element lub jedną z jego płaszczyzn. Np. przypisanie materiału X do elementów na warstwie 0 koloru 0, a następnie dołączenie materiału Y do jednego wybranego elementu z warstwy 0 koloru 0 sprawi, iŜ wszystkie elementy na warstwie 0 koloru 0 będą miały materiał X, natomiast tej jeden wybrany element będzie miał materiał Y. Dołączenie jest traktowane nadrzędnie w stosunku do przypisania. W opracowaniu wszystkie definicje charakterystyk materiałów zostały stworzone od podstaw. W oknie dialogowym Edytor materiałów (rys. 4.10) mamy do dyspozycji szereg opcji. Niestety ich nazwy niewiele mówią osobie pierwszy raz się z nimi stykającej. Najwięcej kłopotu przysporzył materiał wykorzystany dla przeźroczystych elementów ekranów akustycznych przy obiektach mostowych. Pierwsze

intuicyjne

ustawienie

parametrów

zaowocowało

materiałem

przeźroczystym, ale takim, w którego cieniu było jaśniej niŜ dookoła. Był to ciekawy, ale niepoŜądany efekt. Metodą iteracyjna i wieloma renderingami osiągnięto zamierzony rezultat. Materiał przeźroczysty o ciemnym zabarwieniu, lekko odbijający otoczenie (rys. 4.11).

AGH Kraków

44

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Rys. 4.10. Przykład ustawienia parametrów materiału dla elementów przeźroczystych

Rys. 4.11. Wiadukt autostradowy WA-05 z przeźroczystymi ekranami akustycznymi

AGH Kraków

45

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Do dowolnego materiału moŜna dodać teksturę. Tekstury są wykorzystywane w procesie renderingu celem zwiększenia realizmu. Są to obrazy rastrowe (zdjęcia, wzory itd.), które są uwzględnione w charakterystyce materiału, a następnie mapowane (nakładane) na elementy w rysunku. W wizualizacji główną teksturą jest ortofotomapa rozciągnięta na powierzchni istniejącego terenu. Ortofotomapę udostępnioną przez MGGP Aero nałoŜono na bufor pierwszy i drugi. Na bufor trzeci nałoŜono ortofotomapę z lat 1995-1997 udostępnioną przez firmę „Transprojekt”. Uległa ona konwersji tak, aby rozmiary piksela wynosił 3 m w jednostkach terenowych. Ta wielkość pozwoliła zachować rozsądny rozmiar pliku wykorzystywanego jako tekstura dla materiału, równocześnie zachowując swoje walory wizualne (widoczna jest w dalekich planach, przez co szczegóły i tak nie są widoczne) (rys. 4.12).

Rys. 4.12. Kompilacja ortofotomapy

Obraz lewy to ortofotomapa z buforów od pierwszego do czwartego (w lewej części widać powtarzający się wzór). Obraz prawy to powiększony fragment obrazu lewego pokazujący przejście między buforami drugim i trzecim (widać róŜnicę spowodowaną róŜną wielkością piksela, część górna 80 cm, część dolna 3 m). Kolejne tekstury, które zostały wykorzystane w modelu zostały nałoŜenie na zbudowaną geometrię obiektów (skarpy, przyczółki, jezdnie, chodniki, bariery, itd.). Większość

tekstur

pobrano

ze

stron

internetowych

(asfalt,

chodniki

przy

ul. Kokotowskiej i na obiektach mostowych, trawa, niebo). Dwie powstały na podstawie wykonanych przeze mnie w terenie zdjęć istniejącego (ostatniego wybudowanego w ciągu autostrady A-4) obiektu mostowego (tekstura na przyczółkach i płytach wiaduktów).

AGH Kraków

46

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Nakładanie na elementy tekstur w programie MicroStation polega na zdefiniowaniu materiału, który zawiera wzór. Następnie naleŜy dobrać odpowiedni sposób mapowania (nakładania). Dostępne metody to: parametryczne, płaskie i fałdy wzniesień. Aby uzyskać efekt chmur zawieszonych w przestrzeni utworzono powierzchnię będącą pobocznicą walca o promieniu i wysokości 5 km, następnie nałoŜono na nią odpowiednio przygotowaną teksturę nieba metodą mapowania parametrycznego przy jednostkach powierzchni X=1, Y=1. W tym miejscu pojawił się problem. OtóŜ przy pewnych kątach widzenia kamery (kąt rozwarcia większy od około 10°) na pobocznicy walca pojawiała się dodatkowa powierzchnia, na której był zmapowany odwrócony fragment tekstury nieba (rys. 4.13). Okazało się, Ŝe rozwiązaniem jest zmiana normalnej do powierzchni pobocznicy ze skierowanej do wewnątrz na skierowaną na zewnątrz. Dokonano tego narzędziem Zmień kierunek normalnej z palety Modyfikuj powierzchnie.

Rys. 4.13. Przykład nieprawidłowego mapowania

Rys. 4.14. Przykład ustawienia parametrów dla materiału z ortofotomapą AGH Kraków

47

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

A-4

AUTOSTRADY

Jeśli chodzi o ortofotomapę uŜyto trybu Fałdy wzniesień (rys. 4.14). Pozwala to na zrzutowanie tekstury (rzut z góry) na wszystkie elementy, do których jest przypisany materiał ją zawierający. Inne tryby mapowania (Parametryczne i Płaskie) nakładają tekstury na kaŜdy element z osobna (rys. 4.15). Przy definiowaniu materiału zawierającego ortofotomapę pomocne są dane z kalibracji rastra, tzn. punkt wstawienia, wielkość piksela i ewentualny obrót. Dzięki temu ortofotomapa znajduje się dokładnie na swoim miejscu i współgra z NMT.

Rys. 4.15. Tryb mapowania Płaskie (z lewej), tryb mapowania Fałdy wzniesień (z prawej).

WaŜnymi opcjami, które naleŜy zaznaczyć jeśli wykorzystuje się w wizualizacji tekstury, są Wielopoziomowe uśrednianie mapy wypełnień i Uśrednianie wypełnienia

w

Ustawienia\Rendering\Ustawienia\Ogólne.

Dzięki

temu

zastosowane tekstury (w tym przypadku ortofotomapa) zostaną „rozmyte” (rys. 4.16), tzn. nie będą widoczne poszczególne piksele. W animacji zapobiega to efektowi „pełzania” tekstur.

Rys. 4.16. Ortofotomapa bez włączonej opcji Uśrednianie wypełnienia (z lewej) z włączoną opcją (z prawej) AGH Kraków

48

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

4.3. A N IM A CJ A Animacja

nadaje

wizualizacji

nowego

wymiaru,

pozwala

ukazać

wymodelowane obiekty w akcji. Wykorzystując moŜliwości zaawansowanego renderingu programu MicroStation w połączeniu z odrobiną fantazji przy definiowaniu ruchu kamery, moŜna uzyskać zaskakujące efekty. Program MicroStation daje duŜe pole do popisu w tym względzie. W opracowaniu wykorzystano tryb animacji, w którym aktorzy (np. kamera, jej cel, jako aktor mogą równieŜ występować inne element takie jak auta, ludzie itd.) poruszają się po zdefiniowanej ścieŜce. Przygotowanie animacji rozpoczęto od wykreślenia uproszczonych ścieŜek po których miały się poruszać kamery. Początkowo były one narysowane linestring-ami, jednak nie zapewniało to płynnego ruchu i zastąpiono je krzywymi B-splajn. Równolegle z tworzeniem ścieŜek dla kamer tworzono ścieŜki dla ich celów. W całej animacji wykorzystano sześć oddzielnych kamer, z czego cztery z nich podąŜały za ruchomym celem, a dwie zachowały swoją orientację zdefiniowaną w pierwszym kadrze, w którym występują. Po stworzeniu ścieŜek ustawiono w ich początkach kamery. Robiono to w taki sposób, aby kamera „i+1” w pierwszym swoim kadrze miała orientację taką samą jak kamera „i” w kadrze ostatnim. Po utworzeniu kaŜdej z kamer (Utwórz kamerę animacji z palety Kamery animacji) stworzono dla niej skrypt (Skrypt kamery z palety Kamery animacji), w którym określono kadr początkowy. Skrypt ten pojawia się automatycznie w ReŜyserze animacji (rys 4.17) (ReŜyser animacji to okno, które pozwala zapanować nad definiowanymi aktorami i ich ścieŜkami, moŜna w nim równieŜ manipulować kadrami początkowymi dla poszczególnych aktorów, jak i przedziałami kadrów dla ścieŜek). Mając pierwszą kamerę i jej skrypt przystąpiono do przypisania jej do odpowiedniej ścieŜki (Definiuj ścieŜkę aktora z palety Aktorzy animacji).

Rys. 4.17. Okno dialogowe ReŜyser animacji AGH Kraków

49

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Analogicznie postąpiono z pozostałymi kamerami (rys. 4.18). Wykorzystując ReŜysera animacji kontrolowano ruch kamer i w razie konieczności modyfikowano ścieŜki. Modyfikacja ścieŜki nie powodowała konieczności ponownego jej przypisania do aktora (kamery).

Rys. 4.18. Poglądowy widok na węzeł z zaznaczonymi kamerami, celami i ich ścieŜkami

Gdy

zaprojektowany

ruch

kamery

był

satysfakcjonujący przystąpiono

do nagrania skryptu animacji, czyli wyrenderowania poszczególnych klatek animacji. Jako rozmiar wyjściowy dla klatki przyjęto rozdzielczość 640x480 pikseli, tryb renderingu Śledzenie promieniem z wygładzaniem. Cała animacja zawiera 3125 klatek. Na czas renderingu, od strony przyjętych ustawień, ma wpływ jakość zastosowanego wygładzania, przyjęta rozdzielczość i poprawność rozwiązania Śledzenia promieniem, natomiast od strony sprzętowej, szybkość procesora i rozmiar pamięci RAM zainstalowanych w komputerze. Czas

renderingu

wygenerowanego

jednej klatki opracowania rozwiązania

Śledzenia

w zaleŜności od

promieniem

wahał

się

poprawności od

jednej

do kilkunastu minut na komputerze klasy Pentium 4 HT 3 GHz z 1GB pamięci RAM. Po wielu próbach osiągnięto rozwiązanie optymalne (średnio około 2 min na klatkę) AGH Kraków

50

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

i przystąpiono do renderingu ostatecznego. Zastosowano w nim rendering sieciowy, tzn. jedną animację generowało kilka komputerów połączonych w sieci lokalnej. Moc obliczeniową do tego zadania udostępniła firma „Transprojekt” Kraków. UŜyte komputery posiadały procesory wykonane w technologii HT (hiperwątkowość, ang. Hyper Threading), co pozwoliło na uruchomienie na kaŜdym z nich dwóch procesów jednocześnie nie tracąc przy tym zbyt wiele na szybkości wykonywanego zadania. Dzięki temu zabiegowi trzy komputery działały jak sześć. Ostatnia wersja animacji (dzięki poprawnemu rozwiązaniu Śledzenia promieniem) generowała się około 24 godzin na wyŜej wspomnianym sprzęcie. Dla porównania wersja pierwsza około 60 godzin, przy czym efekt końcowy był niezadowalający, niespodziewane zmiany kąta widzenia kamery, błędy w mapowaniu, źle dobrane oświetlenie i błędy w samym rozwiązaniu Śledzenia promieniem („kanciaste” wyświetlanie elementów B-splajn, brak wyświetlanie niektórych stylów linii itd.)

Rys. 4.19. Przykład nieprawidłowego rozwiązania Śledzenia promieniem (z lewej) i poprawiony kadr (z prawej)

4.4. W Y KO R ZY S T AN E

O P R O G R AM O W AN I E

Program MicroStation generując animację zapisuje na dysku twardym kaŜdą klatkę jako osobny plik, np. *.jpg. Pojedyncze klatki moŜna połączyć w MicroStation wykorzystując w tym celu wewnętrzną przeglądarkę (Narzędzia\Obraz\Filmy). Nie jest to dobre rozwiązanie, poniewaŜ nie mamy wtedy wpływu na uŜyty do kompresji kodek oraz jego parametry, a domyślne ustawienia MicroStation dają mierne rezultaty. Z tego teŜ powodu do połączenia pojedynczych klatek w plik *.avi uŜyto oddzielnego oprogramowania Virtual Dub. Jest to darmowy program słuŜący do obróbki plików video, pozwala na wybór kodeka, ustawienie stopnia kompresji, proste operacje na plikach video (dzielenie, łączenie) i wiele innych. Przy jego uŜyciu stworzono na podstawie 3125 plików *.bmp 6 plików *.avi, gdzie nie uŜyto kompresji AGH Kraków

51

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

(łączny rozmiar plików video 2.7 GB). Zdecydowano się na zapis poszczególnych klatek jak i pośrednich plików video w nieskompresowanej formie, poniewaŜ chciano uniknąć wielokrotnej kompresji (raz przy zapisie klatki, drugi przy łączeniu w pośrednie pliki video, trzeci po ostatecznym montaŜu). W taki sposób kaŜdy kadr jest kompresowany jeden raz, po zakończeniu finalnego montaŜu. Do zmontowania poszczególnych plików video wraz ze slajdami początkowymi i końcowymi oraz muzyką uŜyto programu Pinnacle Studio udostępnionego przez firmę „Transprojekt” Kraków.

AGH Kraków

52

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

5. WYKORZYSTANIE MODELU Często przeze mnie praktykowanym sposobem na wykorzystanie wizualizacji jest

kontrola

tworzonego

na

potrzeby

projektantów

modelu

terenu.

Po wygenerowaniu ze stworzonego w InRoads NMT trójkątów, przestawiając Tryb wyświetlania w oknie na Jednorodne i włączeniu akceleracji graficznej moŜna bardzo płynnie „fruwać” nad terenem i dzięki temu szukać miejsc, które wyglądają nienaturalnie. Najczęściej znajdywane w ten sposób błędy to: -

niezmieniona w trakcie pomiaru wysokość lustra,

-

uŜycie do generowania NMT pikiet stawianych przy drzewach, słupach itd.,

-

uŜycie do generowania NMT pikiet stawianych na armaturze naziemnej uzbrojenia podziemnego.

Jest to namiastka prawdziwej wizualizacji, jednakŜe po nałoŜeniu prostymi zabiegami na NMT ortofotomapy mamy juŜ do czynienia z produktem, który moŜe posłuŜyć do wyŜszych celów. Stworzony w opracowaniu model jest bardzo skomplikowany i został w nim połoŜony nacisk na efekt wizualny. Z tego teŜ powodu produkt końcowy, animacja, moŜe posłuŜyć jako materiał prezentowany na róŜnego rodzaju spotkaniach, czy to z inwestorem, czy na konsultacjach społecznych. Ludzie inaczej reagują, gdy widzą to, co ma powstać w formie poruszających się obrazów, niŜ w przypadku, gdy patrzą na suche projekty na papierze. Animacja działa na wyobraźnie. MoŜna ją równieŜ wykorzystać jako reklamę firmy projektującej. Potencjalny zleceniodawca moŜe zostać w ten sposób zachęcony do kooperacji z firmą odnosząc wraŜenie profesjonalizmu i kompleksowego podejścia do realizacji zadania. MoŜna równieŜ przygotować kilka wariantów rozwiązań i z wykorzystaniem animacji pokazać ich lepsze i gorsze strony, co pomoŜe inwestorowi w podjęciu decyzji. Na etapie przygotowania wariantów nie jest konieczna wysoka jakość animacji. Oświetlenie podstawowe, brak tekstur, tryb renderingu Gładkie – w zupełności wystarczą, dopiero po zaakceptowaniu jednego z rozwiązań naleŜy zwrócić uwagę na szczegóły animowanej sceny i przedstawić wizualizację zamierzonego efektu końcowego o jak najwyŜszej jakości [zał. 3 i 15]. Kolejnym moŜliwym sposobem na wykorzystanie modelu jest prezentacja zmian, jakie zajdą w krajobrazie po zrealizowaniu inwestycji. Najlepszym do tego AGH Kraków

53

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

celu jest Photomatching, czyli wpasowanie projektu w rzeczywiste zdjęcie terenu, na którym ma on powstać. Technika powszechnie stosowana i chyba dająca najlepsze efekty, jeśli chodzi o wraŜenie realności. Było to jednym z załoŜeń tej pracy, jednakŜe z powodu braku dogodnego punktu do wykonania zdjęcia (niska zabudowa) w okolicy projektowanego węzła zaniechano realizacji tego pomysłu. Stworzono coś, co jest namiastką wyŜej wspomnianej metody, a mianowicie ukazano stan przed planowaną budową (wykorzystano do tego celu NMT terenu istniejącego, budynki

w

postaci

prostopadłościanów

i

aktualną

ortofotomapę)

oraz

po wybudowaniu całego węzła (dołoŜono projekt) [zał. 13]. Stworzone w ten sposób obrazy równieŜ mogą posłuŜyć jako materiał do prezentacji. Analiza oświetlenia drogi to następne zagadnienie moŜliwe do zrealizowania przy pomocy stworzonej sceny. Wprowadzając małe poprawki w modelu, np. przestawienie kilku latarni (co jest bardzo proste dzięki wykorzystaniu stylów linii 3D), a wraz z nimi punktów światła w nich umieszczonych, zajmuje kilka minut i pozwala szybko tworzyć warianty i analizować efektywność przyjętych parametrów rozwiązań. Oczywiście, jeśli chodzi o uzyskanie szybkiego efektu naleŜałoby wyłączyć materiały i uprościć model, moŜna to szybko osiągnąć dzięki rozwarstwieniu plików i pracy referencyjnej na wielu plikach. Natomiast przyjęte finalnie rozwiązanie moŜna wygenerować przyjmując wyŜsze parametry renderingu. W tym opracowaniu wykonano analizę wędrówki cieni słonecznych [zał. 15] oraz studium oświetlenia w okolicach wiaduktów [zał. 14]. Wszystkie zabiegi przeprowadzono w programie MicroStation. NaleŜy pamiętać jednak o tym, Ŝe o ile rozmieszczenie latarni jest zaczerpnięte z projektu węzła, to same latarnie (wysokość, kąt oświetlania drogi oraz moc zainstalowanych w nich Ŝarówek) są tylko częściowo zbliŜone do rzeczywistych wartości. Ciekawą moŜliwością, jaką oferuje program MicroStation, jest tworzenie z rysunków DGN plików PDF, które zawierają w sobie sceny 3D (włącznie z teksturami i animacjami).

Format

PDF,

stworzony przez firmę

Adobe,

to powszechny w środowisku inŜynierskim format wymiany danych drogą elektroniczną. Dzięki oferowanej przez program MicroStation funkcji moŜna się pokusić o wysłanie do wykonawcy, wraz z tradycyjnym projektem, pliku PDF 3D np. z modelem wiaduktu i notką: „Tak to ma wyglądać!”. W praktyce 3D PDF sprawdza się w prostych scenach. Natomiast generowanie plików PDF 3D zawierających skomplikowane sceny i mnogość materiałów stwarza problemy i zajmuje duŜo czasu, AGH Kraków

54

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

jak równieŜ oglądanie ich (Adobe Acrobat Reader wersja co najmniej 7.0) wymaga posiadania dość mocnego komputera. Do pracy dołączono kilka plików PDF 3D prezentujących róŜne opracowane elementy [zał. 15]. Tworzenie wizualizacji inŜynierskich staje się coraz powszechniejsze. Wpływa na to fakt coraz większej liczby sposobów ich wykorzystania. Przykładowa wizualizacja węzła drogowego moŜe potencjalnie (w mniejszym lub większym zakresie) znaleźć zastosowanie w: -

kontroli stworzonego NMT,

-

procesie inwestycyjnym (konsultacje społeczne, prezentacja dla inwestora, zobrazowanie stanu końcowego dla wykonawcy, materiał prezentowany w trakcie przekazania placu budowy, plansze na budowę),

-

procesie projektowym (analiza zmian krajobrazu, studium światła),

-

reklamie przedsiębiorstwa (TV, strona WWW, foldery, plansze).

AGH Kraków

55

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

6. PODSUMOWANIE ZałoŜony cel pracy, jakim było wykonanie wizualizacji projektowanego węzła „BieŜanów” w ciągu autostrady A-4, został osiągnięty. Opierając się na zebranych w trakcie pracy materiałach stworzono numeryczny model istniejącego terenu oraz model powierzchniowo-bryłowy stanu projektowanego. Wykonano syntezę dwóch modeli. Do nałoŜenia na NMT wykorzystano dostępne ortofotomapy, jako tekstury na elementy projektowane posłuŜyły zdjęcia rzeczywiste (wykonane osobiście) oraz obrazy dostępne w sieci internet. Po wykonaniu kompletnego modelu 3D wraz z definicjami charakterystyk materiałów i ustawieniem oświetlenia, wykonano animację zaprezentowaną w postaci pliku AVI [zał. 15]. Pokazano równieŜ inne zastosowania stworzonej sceny oraz ich przykłady. Nakład pracy włoŜony w realizację zadania był duŜy głównie z powodu nieznajomości metodyki tworzenia tego typu opracowań. Bazując na zdobytych doświadczeniach moŜna będzie uniknąć wielu błędów w tworzeniu obiektów oraz pułapek oprogramowania. Dzięki temu doświadczeniu będzie moŜna zaoszczędzić wiele czasu, który został poświęcony na ich rozwiązanie. W pracy wiele uwagi poświęcono stworzeniu modeli obiektów mostowych. Są one bardzo wiernym odzwierciedleniem tego, co ma powstać (krzywizna obiektu, kąt pochylenia, elementy barier itd.). W animacji jest to często niezauwaŜalne. JednakŜe

moŜna

to

zaobserwować

na

dołączonych

do

pracy

obrazach

poszczególnych wiaduktów [zał. od 4 do 12]. Efekty pracy będą wykorzystane w procesie inwestycyjnym w firmie „Transprojekt” Kraków. Ponadto przewidziana jest publikacja w sieci internet. Na

podstawie

wykonanej

pracy

moŜna

zauwaŜyć

pewne

reguły,

których przestrzeganie podczas tworzenia wizualizacji jest praktycznie niezbędne. PoniŜej

przedstawiłem

kilka

podstawowych

zasad,

jakie

wypracowałem

przy realizacji tej pracy: -

nie skupiać się na szczegółach elementów, które są tłem lub tylko na ułamek sekundy pojawią się w animacji,

-

geometrię obiektów tworzyć uŜywając jak najprostszych i elementarnych składników,

AGH Kraków

56

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

-

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

jeśli do osiągnięcia jakiegoś celu potrzeba dziesięciu operacji, to znaczy, Ŝe jest ich o dziewięć za duŜo,

-

nowe

pomysły

(ustawienia

renderingu,

oświetlenie)

praktykować

na modelach o niskim stopniu skomplikowania, -

korzystanie z grup dyskusyjnych (news) praktycznie stanowi niezbędny element nauki rozwiązywania problemów napotkanych w trakcie realizacji pracy.

DuŜym atutem okazała się praca z wykorzystaniem oprogramowania Bentley Systems (MicroStation V8 2004 Edition z dodatkiem Civil Pack – InRoads Site). Posługując

się

jednym

programem

wykonano

Numeryczny

Model Terenu,

modelowanie w przestrzeni 3D jak i samą wizualizację. NaleŜy dodać, iŜ poznane i zaprezentowane w tej pracy moŜliwości MicroStation to tylko część tego, co moŜna osiągnąć przy jego pełnym i świadomym wykorzystaniu na róŜnych etapach inwestycji.

AGH Kraków

57

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

7. LITERATURA 1.

„Numeryczny model terenu” – dr inŜ. Tadeusz Zieliński; Magazyn Autostrady nr 7/2004.

2.

„InŜynieria ruchu” – praca zbiorowa pod red. Stanisław Dątka; Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1999. Wyd. 3 popr.

3.

„MicroStation – wizualizacja” – Krzysztof Trzaskulski; Magazyn CAD nr styczeń-luty 2000.

4.

„Visualization and Animation – RTA Quick Guide”; Notes from visualization workshop with Jerry Flynn 8th March 2004.

5.

„Study Model Rendering - Article” – John Finkell, 2004.

6.

„Introduction to Particle Tracing” – Bentley Systems, Inc.

7.

“MicroStation/J – Tutorial Workbook” – Bentley Systems, Inc.

8.

„MicroStation V8 PL 2004 Edition. Program do komputerowego wspomagania projektowania” – Tadeusz Zieliński; Warszawa, wrzesień 2005.

9.

„InRoads 2004 Edition. Program do komputerowego wspomagania projektowania dróg” – Tadeusz Zieliński; Warszawa, wrzesień 2005.

10.

Podręcznik uŜytkownika programu MicroStation V8 2004 Edition – Bentley Systems, Inc.

11.

Visualization Guide dla programu MicroStation V8 2004 Edition – Bentley Systems, Inc.

12.

Bentley InRoads Group Help – Bentley Systems, Inc.

13.

news://bentley.general.pl - polskojęzyczna grupa dyskusyjna uŜytkowników oprogramowania Bentley Systems.

14.

news://bentley.inroads - anglojęzyczna grupa dyskusyjna uŜytkowników programu InRoads.

15.

news://bentley.microstation.v8.3d - anglojęzyczna grupa dyskusyjna uŜytkowników programu MicroStation V8 o tematyce 3D.

16.

news://bentley.microstation.v8.general - anglojęzyczna grupa dyskusyjna uŜytkowników programu MicroStation V8 o tematyce ogólnej.

AGH Kraków

58

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

17.

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

news://bentley.microstation.visualization - anglojęzyczna grupa dyskusyjna uŜytkowników oprogramowania Bentley Systems poświęcona zagadnieniom wizualizacji.

18.

www.askinga.com - artykuły, wskazówki dotyczące programu MicroStation.

19.

www.dezignviz.com - strona Johna Finkell poświecona wizualizacji, nie tylko w MicroStation.

20.

www.imageafter.com - darmowe tekstury.

21.

www.3dtotal.com - tutoriale dotyczące 3D, darmowe modele i tekstury.

22.

www.accustudio.com - darmowe tekstury, obiekty, tła. Dedykowane dla programów AutoCAD, Revit i Rhino.

23.

www.3dcafe.com - zasób dla grafików komputerowych, architektów. Darmowe modele, czcionki, plug-iny, tekstury, efekty dźwiękowe, tutoriale.

24.

www.wsdot.wa.gov/eesc/CAE/designvisualization/Tips/Photomatch.htm - tutorial dotyczący Photomatchingu w MicroStation.

25.

www.mayang.com/textures/ - darmowe tekstury.

AGH Kraków

59

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

8. SPIS ZAŁĄCZNIKÓW Zał. 1. Poglądowy plan sytuacyjny Węzła „BieŜanów” Zał. 2. Kod makra wykorzystanego przy tworzeniu budynków Zał. 3. Przykładowe kadry z animacji Zał. 4. Wizualizacja obiektu WA-01 Zał. 5. Wizualizacja obiektu WA-02 Zał. 6. Wizualizacja obiektu WD-03 Zał. 7. Wizualizacja obiektu WD-04 Zał. 8. Wizualizacja obiektu WD-04a Zał. 9. Wizualizacja obiektu WD-04b Zał. 10. Wizualizacja obiektu WD-04c Zał. 11. Wizualizacja obiektu WD-04d Zał. 12. Wizualizacja obiektu WA-05 Zał. 13. Analiza zmian krajobrazu Zał. 14. Studium światła Zał. 15. Płyta CD i DVD a) pliki do programu MicroStation b) animacje w postaci plików *.avi z dołączonymi programami dekodującymi i odtwarzającymi, c) wyrenderowane obrazy, d) pliki PDF 3D, e) treść pracy magisterskiej, f) nieskompresowane klatki animacji.

AGH Kraków

60

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

Z AŁ Ą C ZN I K 1. P O G L ĄD O WY

AGH Kraków

PROJEKTU

P L AN S Y TU A CY J N Y

W ĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

W Ę ZŁ A „B I E śA N Ó W

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

Z AŁ Ą C ZN I K 2. K O D

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

M A KR A WY KO R ZY S T AN EG O P R ZY TW O R Z EN IU B U D Y N KÓ W

' Makro tworzy bryły budynków wyciągając ich obrysy na podana wewnątrz obrysu wysokość. ' Komendy są wysyłane do widoku pierwszego, wiec naleŜy w nim ustawić widok 'Góra'. ' Obrysy budynków musza być elementami zamkniętymi (shape) na warstwie 15. ' Wysokość budynku jako arabska cyfra w całości mieszcząca się wewnątrz obrysu. ' Makro usuwa dane wejściowe (obrysy) a bryły tworzy na warstwie aktywnej. '-------------------------------------------------------------------' ' Copyright (2005) Mare Watroba , All rights reserved. ' ' $RCSfile: bud.bas $ ' $Revision: 1.0 $ ' $Date: 2005/07/20 $ ' '-------------------------------------------------------------------Const STARTofFILE% = 0 Sub Main Dim elemSet As New MbeElementSet Dim element As MbeElement Dim filePos As Long Dim filePos2 As Long Dim endOfFile As Long Dim elemtext as String Dim setMember as MbeSetMember Dim startPoint As MbePoint Dim endPoint As MbePoint Dim elem as New MbeElement Set element = New MbeElement endOfFile = MbeDgnInfo.endOfFile filePos = element.fromFile(STARTofFILE) MbeSendCommand "LOCK FENCE INSIDE " MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->cntrl1.capsurf", 1& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.skewed", 1& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.distance.locked", 0& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.spinAngle.locked", 0& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.xScale.locked", 0& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.yScale.locked", 0& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.bothWays", 0& MbeSetAppVariable "3DTOOLS", "tcb->ms3DToolSettings.extrude.keepOriginal", 0& Do While filePos < ENDofFILE AND filePos >= 0 If element.Type = MBE_Shape AND element.level=15 Then If element.getEndPoints(startPoint,endPoint) = MBE_Success Then MbeSendCommand "PLACE FENCE ELEMENT" MbeSendDataPoint startPoint, 1% MbeSendDataPoint startPoint, 1% If elemSet.fromFence() = MBE_Success Then status = elemSet.getFirst(setMember) Do While status = MBE_Success filePos2 = elem.fromFile(setMember.filePos, setMember.fileNum) If elem.type = MBE_Text Then If elem.getString(elemtext) = MBE_Success Then MbeSendCommand "CONSTRUCT SURFACE PROJECTION " MbeSendDataPoint startPoint, 1% MbeSendKeyin "dl=0,0," + elemtext$ End If End If status = elemSet.getNext (setMember) Loop End if End if End if filePos = element.fromFile(filePos + element.fileSize) Loop MbeSendCommand "PLACE FENCE ELEMENT" MbeSendCommand "NULL" End Sub

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 3. P R ZY KŁ AD O W E

AGH Kraków

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

KAD R Y Z A N I M A CJ I

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

AGH Kraków

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 4. W IZ U A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B IE K TU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WA-01

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok w stronę Tarnowa

widok z południowej strony

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 5. W IZ U A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B IE K TU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WA-02

widok z góry

widok w stronę Krakowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 6. W IZ U A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B IE K TU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WD-03

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok w stronę Wieliczki

widok w stronę Krakowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 7. W IZ U A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B IE K TU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WD-04

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok od strony Wieliczki

widok w stronę Tarnowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 8. W IZ U A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B IE K TU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WD-04 A

widok z góry

widok w stronę Krakowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 9. W IZ U A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B IE K TU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WD-04 B

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok w stronę Tarnowa

widok w stronę Krakowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 10. W IZU A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

O B I E KT U

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WD-04 C

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok w stronę Tarnowa

widok w stronę Tarnowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 11. W IZU A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

W IA D U KTU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WD-04 D

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok w stronę Nowej Huty

widok w stronę Krakowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 12. W IZU A L IZ A CJ A

„BIEśANÓW”

W IA D U KTU

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

WA-05

widok z góry

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok w stronę Tarnowa

widok w stronę Krakowa

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

Z AŁ Ą C ZN I K 13. A N A L I ZA

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

ZM I AN K R AJ O B R A ZU

widok z ulicy Kokotowskiej w stronę Krakowa przed budową węzła

widok z ulicy Kokotowskiej w stronę Krakowa po wybudowaniu węzła

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

widok „z lotu ptaka” przed budową węzła

widok „z lotu ptaka” po wybudowaniu węzła

AGH Kraków

Marek W ątroba

WIZUALIZACJA

PROJEKTU

WĘZŁA

Z AŁ Ą C ZN I K 14. S TU D I U M

„BIEśANÓW”

W

CIĄGU

AUTOSTRADY

A-4

Ś W I ATŁ A

Obiekt WD-04b i fragment autostrady A-4 oświetlony lampami o mocy 100 W

250 W widok z góry

widok od strony Krakowa

widok od strony Tarnowa

AGH Kraków

Marek W ątroba