Visualización interactiva de entornos urbanos complejos: estructura de datos bqr-tree y view culling semántico

Resumen

Desde hace unos pocos años el uso de modelos urbanos 3D está aumentando considerablemente. El motivo es que son particularmente interesantes para una gran variedad de aplicaciones que surgen en diferentes áreas de la actividad humana, como por ejemplo en el ocio (videojuegos,..), turismo (paseos virtuales,...), protección civil (evacuaciones en situaciones de emergencia,...), urbanismo (planificación urbana,...), medio ambiente (evaluación del impacto ambiental del ruido), tráfico (seguimiento del tráfico,...), etc. Todas esas aplicaciones se caracterizan por la necesidad de utilizar modelos geométricos cada vez más complejos y sofisticados. Del mismo modo, también se ha producido un gran incremento de aplicaciones cuyo objetivo es sumergir al usuario en entornos de realidad virtual o aumentada ambientados en modelos urbanos en los que se requiere, además, la utilización de información semántica que esté asociada a dicho entorno y que se considere de interés. Sin embargo, y a pesar de su gran utilidad, hasta fecha muy reciente no ha sido posible realizar navegaciones virtuales en ciudades 3D. Los entornos urbanos se cuentan entre los modelos geométricos más voluminosos y complejos que se pueden visualizar hoy en día y hasta hace muy poco tiempo no se ha dispuesto del hardware necesario para su visualización. Los problemas que se encuentran cuando se pretenden construir aplicaciones que requieran modelos urbanos basados en datos reales, y que ofrezcan posibilidades de visualización y navegación libre, son de diversa índole y de complicada resolución. El primer problema que se encuentra cuando se trata de crear un modelo urbano a partir de datos reales es el relacionado con su organización, entendiendo como organización la estructura de los datos, su agrupación en entidades de nivel superior y el establecimiento de relaciones entre ellos. El segundo problema es el de conseguir, en tiempo real y de manera interactiva, volar por una ciudad, poder aterrizar y moverse por sus calles. Ello se debe fundamentalmente a que los modelos urbanos se cuentan entre los modelos más voluminosos, compuestos generalmente por millones de polígonos, y no hay que olvidar que cada uno de ellos se debe descomponer en triángulos antes de ser enviados a la tarjeta gráfica, lo que conlleva procesar y almacenar varios millones de triángulos. El tercer problema es debido a que la visualización en tiempo real de entornos urbanos altamente poblados añade, a los problemas citados anteriormente, dos problemas nuevos: la necesidad de calcular el comportamiento de los elementos móviles y asumir su volumen de datos. El último problema es el que surge al desear incluir elementos con significado semántico y permitir su aprovechamiento. El objetivo de esta tesis es proponer una estructura de datos especialmente adecuada para la visualización de entornos urbanos complejos, que contengan gran cantidad de entidades estáticas y dinámicas, con o sin elementos semánticos; entendiendo por elementos semánticos aquellos elementos gráficos que proporcionan al observador una información más allá de la puramente gráfica. Para ello se diseñará una estructura adecuada para el manejo de dichos entornos, complementada con técnicas de view culling adecuadas para explotar al máximo sus características. De forma más precisa, los objetivos concretos que se persiguen son: - Conseguir un sistema automático de creación del modelo urbano a partir de datos catastrales reales con poca estructuración interna, para que su ámbito de aplicación sea el más amplio posible. - Desarrollar técnicas capaces de acelerar la navegación por los entornos urbanos con independencia de los movimientos de cámara y de su distancia al modelo, es decir, aplicable a paseos y vuelos libres. - Que las técnicas desarrolladas permitan, de manera sencilla, la inclusión de otras técnicas de aceleración adicionales al view culling, de manera que sea factible mejorar aún más la velocidad de visualización. - Que dichas técnicas de aceleración sean capaces de acelerar la navegación no solo en entornos estáticos, sino también en entornos altamente poblados por elementos móviles. - Que la localización de los elementos móviles en la ciudad sea rápida y con bajo coste computacional para permitir la aplicación de técnicas realistas de movimiento de multitudes. - Que en la solución que se proponga sea posible incorporar un gran número de elementos gráficamente complejos con valor semántico para el observador. Conclusiones En esta memoria se han presentado un conjunto de técnicas que ayudan a resolver algunos de los problemas relacionados con la visualización en tiempo real de modelos urbanos 3D. Tal y como se planteó, el objetivo fundamental de esta tesis era proponer una estructura de datos especialmente adecuada para la visualización en tiempo real de entornos urbanos 3D complejos que contuviesen numerosos elementos estáticos y dinámicos y que fuese capaz de gestionar adecuadamente información semántica. Dicho objetivo se ha alcanzado. En particular: - Se ha descrito un método automático de creación de modelos urbanos para datos catastrales sin estructuración interna. - Se ha propuesto una nueva estructura de datos denominada BqR-Tree, basada en el uso de la manzana como unidad fundamental y lógica. - La estructura BqR-Tree se ha implementado en un grafo de escena sobre el que se ha aplicado la técnica de view-culling. Así se ha conseguido mejorar la velocidad de navegación en entornos urbanos respecto a los resultados obtenidos con las estructuras de datos propuestos anteriormente en la literatura. - La estructura BqR-Tree es independiente de los movimientos de cámara y es aplicable a paseos y vuelos por entornos urbanos. - Se ha mostrado que la inserción de elementos móviles en la estructura de datos BqR-Tree puede realizarse de una manera sencilla y natural. Además, por la naturaleza de la estructura de datos BqR-Tree, la localización de los elementos estáticos y móviles en la ciudad es sencilla y rápida. - Se ha comprobado que la aplicación de la técnica de view culling sobre el grafo de escena creado por la estructura de datos BqR-Tree, es suficiente para permitir realizar navegaciones en entornos estáticos altamente poblados por elementos móviles. - Se ha comprobado que las técnicas propuestas en esta tesis no son excluyentes con respecto a las técnicas habituales de LOD, backface culling o almacenamiento de elementos gráficos en la tarjeta gráfica. En el caso de utilizarse de manera conjunta, sus mejoras son acumulativas. - La inclusión de elementos semánticos se realiza integrando en un grafo multicapa la capa gráfica formada por la estructura de datos BqR-Tree, con capas semánticas que agrupan a los elementos semánticos. - La aplicación de la técnica de view culling semántico permite incorporar un gran número de elementos semánticos asociados a entornos gráficos complejos posibilitando navegaciones en tiempo real.