2 8 0 Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования

Обычно проверка топологической корректности в нетопологических пакетах производится просмотром с увеличением фрагментов карт. Обнаруженные смещения линий или точек примыкания не всегда требуют редактирования — следует проверить, не лежит ли величина смещения в пределах допустимой. Величина допуска определяется точностью создаваемой карты, установленным показателем пригодности или стандартом на создание цифровых карт.

На картах существуют объекты, цифровать которые всегда затруднительно, поскольку у них нет четких контуров. Примером таких объектов служат болота, которые на картах отображаются участками с горизонтальной штриховкой и подписываются, но часто непонятно, где проходит граница между соседними небольшими болотами. Иногда пригодным считается цифрование внешнего контура всех таких болот по границе штриховки и присвоение созданному полигону атрибута для болот в целом. Но это должно быть оговорено в инструкции по созданию цифровой карты, иначе приведет к ошибкам топологии.

Использование технологии ESRI создания в БД собственных элементарных топологически связанных объектов (перекресток дорог, туннель, мост и другие специфические соединения в сетях) способствует автоматизации контроля ошибок и, следовательно, повышению качества цифровых карт. И все же контроль всех этапов создания таких карт еще долго будет обязанностью их разработчиков.

7.6.Технологии вывода картографических изображений

7.6.1. Электронные и компьютерные карты

Для формирования картографического изображения наибольшее значение имеет графический вывод данных. Основная цель геоинформационного картографирования — изготовление карт для их традиционного использования в бумажной форме или в электронной форме в ГИС. В определении электронной карты существует несколько разночтений, с которыми можно познакомиться в толковом словаре по геоинформатике [Геоинформатика. Толковый....

1999]. Рассмотрим здесь подход к определению электронных и компьютерных карт с точки зрения ГИС-технологий картографической визуализации пространственных данных.

7.6. Технологии вывода картографических изображений

281

Электронная карта — картографическое изображение, визуализированное на экране дисплея на основе данных цифровых карт и баз данных ГИС с использованием программных средств.

Следует подчеркнуть, что картографическое изображение созда- ется в принятых для карт проекции и системе условных знаков.

Масштаб изображения на экране может меняться программно в соответствии с потребностями детальности визуализации.

Компьютерная карта — карта, полученная средствами геоинформационного картографирования с использованием графопостроителей, принтеров и иных устройств, обеспечивающих картографическое качество печати, вычерчивания, гравирования или фоторегистрации на бумаге, пластике, фотопленке, ином материале.

Одна из задач создания компьютерной карты — приблизить дизайн генерируемых изображений к традиционному облику составительских или издательских оригиналов картографических изображений в соответствии с нормативами традиционного процесса их проектирования, составления и издания. Эта задача пока трудно поддается полной автоматизации. Создание компьютерных карт с помощью неспециализированных устройств отображения или пренебрежение картографическими требованиями приводит к весьма фубой имитации традиционных карт.

С понятием электронных карт связано и понятие электронных атласов.

Электронный атлас — это электронное картографическое произведение, функционально подобное электронным картам, сопровождаемое программным обеспечением типа картографических браузеров (картографических визуализаторов).

Помимо картографических изображений, электронные атласы включают текстовые комментарии, табличные данные (таблицы атрибутов), а также мультимедийные изображения — анимации, видеофильмы и звуковое сопровождение. Большинство электронных атласов распространяется на компакт-дисках (CD-ROM).

7.6Л. Графические стандарты

Большое число типов периферийных устройств графического ввода и вывода предъявляют самые разнообразные, часто противоречивые требования к данным. Инструкция к лазерному принтеру

2 8 2

Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования

не имеет ничего общего с указаниями по созданию аналогичного изображения на экране или графопостроителе. Предпринималось множество попыток разработать стандарты для общения с этими устройствами (Tektronix, HPGL). Большинство производителей технических средств ввода-вывода поставляют «драйверы» для их совмещения с компьютерами.

С точки зрения графического отображения данных с помощью подобных устройств важны стандарты, определяющие необходимые для показа изображения число бит, палитры, размер видеопамяти и тип видеопреобразования.

Число бит и палитры — понятия, связанные в основном с мониторами.

Для показа черно-белого изображения на экране монитора его адаптер должен иметь один бит' для каждого элемента растра. Для показа цвета каждого элемента растра используется несколько бит. Два бита дают четыре комбинации «да» и «нет» и могут показать любой из четырех цветов. Чтобы показать любой из 16 цветов, необходимо 4 бита. Устройство с 24 битами (обычные для высококачественной графики) может в каждом элементе растра показать любой из 224 (или приблизительно 16x106) цветов.

Число бит показывает, сколько цветов может быть изображено одновременно. Эта величина не всегда совпадает с количеством возможных цветов. Например, адаптер с 4 битами позволяет одновременно изображать 16 цветов, которые могут определяться любой комбинацией из 64 оттенков красного, 64 оттенков зеленого и 64 оттенков синего; это дает 262 144 возможных цвета. Ограниченный набор цветов, используемых в каждый момент времени, называется палитрой; для адаптера с 8 битами и разрешением 800x600 требуется 8x800x600 = 3 840 000 бит или примерно 480 Кбайт; для 24-битовых устройств с разрешением 1280x1024 необходимо 24x1280x1024 бит или 3,9 Мбайт. Эти величины определяют требования к объему видеопамяти.

Элементы видеопамяти и обработки. Современные мониторы обладают видеопамятью — локальной объектной памятью, в которой

' Бит — единица хранения информации в компьютере — может иметь значения «да» или «нет»; байт — группа из 8 бит; Кбайт (килобайт) - 1024 байта.

7.6.Технологии вывода картографических изображений

283

хранится весь набор объектов или векторов, относящихся к выво- димому на экран изображению. Она позволяет быстро восстановить изображение объектов, не вводя их заново. Это наиболее удобно для работы с подокнами, увеличения масштаба или вращения трех- мерных объектов. В видеопамяти фиксируется также номер цвета, который следует показать в каждом из элементов растра.

Поскольку изображение на экране всегда базируется на элементах растра, возникает необходимость создания растровых изображений по введенным векторным данным. Для этого используют векторно- растровые преобразователи.

Следующий необходимый элемент — таблица перекодировки цветов (look-up-table), которая указывает сочетание красного, зеле- ного и синего тонов для каждого цвета текущей палитры. Изменяя таблицу перекодировки, можно очень быстро менять структуру цветов на экране, не затрагивая при этом дисплейную память.

И основной функциональный элемент — аналогово-цифровой преобразователь, который переводит цифровой сигнал, хранящийся в дисплейной памяти, в напряжение, подаваемое на ЭЛТ или панель LCD (если не поддерживается цифровой режим).

7.63. Спецификация цвета и цветовые палитры

В дисплейных системах и печатающих устройствах использу- ются два различных метода построения цветного изображения, что особенно необходимо знать и учитывать при создании карт в ГИС и геоинформационном картографировании. Для пользователей обеих систем большинство проблем связано с невозможностью связать цвета на экране и принтере для одного и того же изображения: то, что отображено на экране, не означает, что то же самое будет запечатлено на бумаге. Для формирования качественного цветного графического изображения важно понимать, как образуется цвет и как строятся цветовые палитры [Лурье, 2000].

Сточки зрения физики цвет — сложная ответная реакция глаза и мозга на свет — электромагнитное излучение в видимой области спектра. Обычно человек воспринимает солнечное излучение с XIиной волны от 400 до 700 нм (1 нм = 10-9 м). Этот диапазон можно представить как ряд из шести спектральных цветов, от фиолето- вого до красного. Некоторые цвета, например, красный, занимают большую долю в спектре по сравнению с другими, остальные образу-

2 8 4 Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования

ются при смешивании основных цветов в разных пропорциях, и лишь некоторые, например, розовый, не являются «спектральными», поскольку не могут быть получены путем смешивания.

В электронно-лучевой трубке спектральные характеристики излучения красного, зеленого и синего фосфоресцирующих веществ и наша чувствительность к свету, испускаемому ими, определяют видимый на экране цвет.

Согласно трихроматической теории цветного зрения Максвелла, видимый цвет - это функция относительного количества синего, зеленого и красного света, воздействующего на сетчатку глаза. Следует отметить, что мозг определяет цвет объекта не изолированно, а в сравнении с его окружением, причем непрерывно приспосабливается к изменениям в источнике света, поэтому цвет объекта сохраняется.

Цвет может быть описан в терминах трех измерений, известных как оттенок (hue), светлота (lightness) и насыщенность (saturation). Оттенок — это главная составляющая цвета, соответствующая нашей привычке отличать цвета вербально, например, называя цвета радуги. Он является функцией длины волны видимого света. При описании оттенков некоторые диапазоны длин волн имеют особое значение, в то время как другие могут быть созданы комбинацией этих диапазонов. Красный, зеленый и синий являются аддитивными основными цветами, поскольку, когда они наблюдаются одновременно (в сумме) в разных пропорциях (с разной интенсивностью), они создают разные цветовые комбинации. Эти цветовые комбинации могут быть зарегистрированы как количество видимого света, либо излучаемого экраном ЭЛТ, либо отраженного от белой поверхности (бумаги).

Когда на такую поверхность наносится цветной пигмент, свет (белый) частично поглощается пигментом, а частично отражается. Три пигмента голубой (cyan), пурпурный (magenta) и желтый (yellow) могут быть смешаны, чтобы создать широкий диапазон отраженных цветов. Они называются субтрактивными основными цветами (название их основано на том факте, что при комбинации двух таких цветов происходит возрастание поглощаемой части светового диапазона). Комбинация цветов в равных пропорциях дает теоретически черный цвет (отсутствие цвета).

Итак, можно сказать, что оттенок — это признак, относящий цвет к одному из «полярных» основных цветов или к смеси любых двух из них.

7.6. Технологии вывода картографических изображений

285

Светлота — это мера того, насколько светлее или темнее выглядит цвет; она представляет зрительное ощущение яркости и является функцией количества световой энергии. При уменьшении количества светлоты в сторону нуля воспринимаемый цвет становится ближе к черному.

Насыщенность отражает интенсивность цвета, при ее уменьшении цвет становится более бледным (но не изменяется в сторону черного). Ее иногда описывают как степень смешения основного оттенка с серым.

Системы определения и измерения цвета. Наиболее распространенными являются две системы определения цвета — система цветов Международной комиссии по освещению (CIE), применяемая в оптике, и система Манселла (Munsell), которой чаще пользуются специалисты по цветовому дизайну.

Система CIE обеспечивает точное количественное распознавание цвета, основанное на спектрофотометрических измерениях стандартных источников света (искусственных и естественных), и комбинаций длин волн для аддитивных основных цветов, а также выявление различий цветов. Значения основных цветов как функции специфических длин волн задаются «трехцветными» координатами X, Y, Z. Значения, соответствующие видимым человеком цветам, в этой системе координат находятся внутри некоторого конуса с вершиной в начале координат. Замкнутая кривая, образуемая сечением конуса плоскостью X + Y+ Z= 1, называется спектральной кривой, которая ограничивает значения, эквивалентные всем оттенкам, светлоте, насыщенности и соответствующим им длинам волн. Некоторые графические пакеты изображают систему CIE на цветной печати и видеомониторе: она напоминает шестигранный кристалл с белыми и черными вершинами и включает лишь часть цветового пространства (рис. 7.1). Все цвета, которые можно создать на устройстве отображения, оказываются в пределах границ трехмерной фигуры. Таким образом, ЭЛТ дисплея не может воспроизвести все возможные видимые цвета, а цветовая гамма принтеров еще меньше.

Система CIE обеспечивает последовательный способ определения цвета количественно, но не соответствует тому, как человек воспринимает различные цвета (через различия в восприятии).

Система Манселла, в отличие от CIE, основана на экспериментальном определении одинаково воспринимаемых интервалов

2 8 6

Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования

оттенка, светлоты и насыщенности: одни и те же различия в координатах обуславливают одни и те же различия в восприятии светлоты и насыщенности.

Д Светлота

Цвет поверхности определяется путем визуального сопоставления с эталонным набором различных цветов. Цвета распознаются в диапазонах: оттенка от 0 до 100 (на рис. 7.2 показано 10 наименований, включающих голубой, пурпурный, красный, желтый, зеленый цвета и их сочетания, между которыми есть более мелкие подразделения), светлоты от 0 до 10 и насыщенности от 0 до 20 и более. Центральная ось представляет диапазон значений цветов, которые имеют нулевое значение оттенка и ранжируются в серой шкале от белого до черного. Для перевода цветов системы CIE в цвета Манселла необходимы сложные математические процедуры с использованием таблицы стандартных цветов.

Цветовые модели. Компьютерные графические устройства используют цветовые модели RGB и CMY, каждая из которых представляет цвет как комбинацию соответствующих аддитивных или субтрактивных основных цветов.

RGB-модель ближе всего к физической сущности монитора, поскольку в ней цвет определяется количеством красного, зеленого

7.6. Технологии вывода картографических изображений

287

и синего, что может быть непосредственно переведено в мощность электронного луча, необходимого для каждого элемента экрана.

Светлота

Модель часто представляется в виде куба с осями, соответствующими красному, синему и зеленому значениям в пределах от 0 до 1 (рис. 7.3). Начало системы координат (0,0,0) соответствует черному цвету, а вершина (1,1,1)— белому; остальные углы куба — красному, желтому, зеленому, зеленовато-голубому (бирюзовому), синему и пурпурному цветам. Все возможные сочетания RGB находятся внутри куба, а количество действительно доступных цветов зависит от числа бит адаптера цветного монитора. Из четырех бит адаптера VGA три используются для создания цвета, один — для яркости. Три бита определяют 8 углов куба RGB. 24 бита современных адаптеров, обеспечивающие 224 различных цветов в каждом элементе, организованы так, что дают 28 (или 256) уровней, красного, зеленого и синего цветов плюс все дальнейшие комбинации: (0, 0, 0) — черный цвет, (255, 255, 255) — белый, 254 промежуточных варианта образуют последовательность серых тонов по диагонали куба. Цвета по беложелтому ((255, 255, 255) — (255, 255, 0)), бело-пурпурному и белоголубому ребрам куба, а также по диагоналям от белого к красному, зеленому и синему цветам образуют последовательности оттенков. «Полярные» цвета и их сочетания легко распознаются, поскольку элементы RGB изменяются очень плавно. Например, 254 градации

2 8 8

Глава 7. Задачи и методы геоинформационного картографирования

между синим (0, 0, 255) и зеленым (0, 255, 0) цветами можно получить, удерживая красный на значении 0, увеличивая зеленый на 1 и уменьшая синий на 1. Восприятие цвета на экране зависит еще от свойств фосфорного покрытия, которые могут быть разными у разных ЭЛТ-мониторов.

Рис. 7.3. Кубическая диаграмма RGB

Для устройств, использующих CMY-модели (цветные принтеры графопостроители), цветовое пространство может быть представлено как куб RGB, за исключением того, что система координат должна быть перевернута: (0, 0, 0) будет соответствовать белому цвету, а (1, 1,1) - черному, тогда наращивание интенсивности CMY основных цветов выражается в вычитании их значений из белого. Для получения более качественного результата печати к трем основным цветам CMY добавляют черный цвет (красящий элемент), образуя тем самым CMYK-палитры.

Следует сделать важное замечание: ни RGB-, ни CMY-модели не могут рассматриваться как интуитивные модели отражения цвета, однозначно пригодные для выбора цветовых шкал, поскольку они связаны с физическими характеристиками графических устройств.

Например, для научных публикаций часто требуется представление карты в оттенках серой шкалы. Однако известно, что число оттенков не должно превышать 7-9, иначе они не будут различимы глазом. Такое требование связано и с используемым правилом преобразования уровней интенсивности исходного изображения в полуто-