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1、以以 MircoDEM 製作地形模擬飛動畫探討製作地形模擬飛動畫探討 Fly-by Animation with MicroDEM 賴子銘1 史天元2Zi-Ming Lai 、Tian-Yuan-Shih 摘要摘要 以值高程模型(DEM)提供三維架構，由影像提供畫素材質，製作地形模擬 動畫以視覺方式展現，能提供使用者藉由動畫快速地解地形資訊與空間架構。 MicroDEM 唯一公共域之免費軟體，可以結合 DEM 資、影像資，進資 格式轉換與地對位的編輯，將影像敷貼於地形上提供材質資訊，加以飛 與視角的設定，將地形模擬的結果以動畫方式輸出。本研究以 MicroDEM 作為 處軟體，將真實地形與影像
2、資進實作模擬，對的選擇與作業方式進 探討，並與其他視覺化軟體進比較。 關鍵字：視覺化、值高程模型、地形模擬 ABSTRACT The digital elevation model provides the three dimensional structure of terrain. With the texture derived from aerial photos or other digital images, the terrain could be presented in an interactive manner through terrain animation. Micr
3、oDEM is a public domain freeware which provides various functionalities for terrain analysis. The elevation and images could be integrated and animated with different viewing angles and other parameters for fly-through operation. This study utilizes MicroDEM. With practical experiments, the strategy
4、 of parameter selections is explored. Keyword: Visualization、 Digital Elevation Model、Terrain Animation 1交通大學土木工程學系碩士生 2交通大學土木工程學系教授 一、 前言一、 前言 GIS 基本的功能之一，是將地事物和現象的空間分配在地圖上最直覺地反 應出，即是地視覺化(傑斌、明德，2002)。 視覺化的主要目的在於 產生漂的圖形，而在於如何與使用者溝通。而地形模擬則是以虛擬實境的技 術，將影像之資與值高程資進整合，配合視覺化的 3D 成像技巧，模擬 出虛擬的地形景觀，讓地形資可以脫二維製
5、圖的限制而可以容解。飛 動畫提供使用者一個非及時互動的虛擬地環境。藉由飛動畫，讓一般使用者 可以方的解地形資訊，是極具親和一種溝通方式。 目前市面上 GIS 商業軟體及遙感探測影像分析軟體大提供地形視覺化 的功能，甚至提供產生地形模擬飛動畫的模組，同時亦有一般動畫之軟體亦 可達相同之功能，TEC (2003)之調查報告中，涵括五百餘種軟體。本研究所採用 的 MicroDEM，由美國海軍學院教授 Peter Guth 所撰寫，定位為以科學與教育目 的公共域免費軟體(Guth，2003)。MicroDEM 可以處值製圖資如值高程 模型，衛星影像，與向圖等資，進展示，套疊與地形分析等操作，在視覺 化
6、部分的功能以免費軟體而言相當齊全。本研究使用的版本是 MicroDEM / terrabase II 6.02 ， 為驗證此一製作方法的可性 ， 與商業軟體Arcview 3.2 (ESRI, 1996)為基礎的 3D Analyst 延伸模組所製作的動畫成果進比較。 圖一：MicroDEM 介面 二、 製作方法二、 製作方法 製作地形模擬飛動畫至少需要種空間資，分別是值高程模型(DEM) 與航空影像或衛星影像，並以飛動畫製作軟體，如 MicroDEM，3DEM (Horne, 2003)等可進圖形產生與動畫輸出。值地形模型資提供地形的骨架，而由 影像提供地表的色彩與材質資訊，尤以上者之結合，
7、經由三維電腦圖學之計 算，產生飛動畫。涉及的技術主題包含 DEM 編修處，影像預處，地對 位(geo-encoding) 與影像敷貼（drape） ，攝影機的飛線與視角設定等。 圖二：飛動畫製作程 2.0 資準備資準備 需要的 DEM 與影像資，在空間解析上應盡相近，本文採用的是 40m 平面解析的 DEM。幾乎所有的航空、衛星影像皆可以拿製作飛 動畫，唯一要注意的是，通常影像的空間解析會高於 DEM 之解析，以 高解析的影像敷貼在低解析的 DEM 上，會費影像的資訊而無法達 到好的效果。當然影像以彩色為佳，只要有可光的三個波段之影像，我們 可以藉由影像的預處擷取彩色影像。 2.1 DEM 編
8、修處編修處 由於空間資格式的多樣性，使用的 DEM 資必須先經過格式轉換處 ，而 MicroDEM 可以支援的 DEM 格式包含 USGS ASCII，USGS SDTS， NIMA DTED，ASCII XYZ，GeoTiff 等。作業中視需要將多個 DEM 進接 合，編修，投影轉換等，必須確認輸出的 DEM 之投影系統與影像相同。值 的注意的是，DEM 與影像的解析能相差過大，才能輸出較佳品質的動 畫，建議的作法是將 DEM 之解析內插取樣至與影像解析相同。 2.2 影像預處影像預處 目的是為要輸出彩色影像，才能提供較佳的視覺效果，以影像增顯進 ，色彩與調整，當使用多光譜影像時，如本文使用
9、之 Aster 影像，需先取出可光的三個波段，進色彩合成的處。建議輸出成一般常用的影 像格式如 TIFF 或 JPG 檔以後續敷貼。 2.2 影像敷貼與地對位影像敷貼與地對位 敷貼(drape)，又稱為紋映射(texture mapping)，是將影像與 DEM 做一 對一的對應，提供每個地形單元的色彩與材質資訊值。 圖三：敷貼後的 DEM 地對位(georeferencing)的目的是提供正射影像相對應地表的空間資 訊。在進敷貼之前，需要將影像進地對位，賦予各像元的空間資訊， 如此軟體依照這些資訊建起 DEM 與影像的空間關係，將影像與地形資 進套合。在 MicroDEM 中是以編輯 ASC
10、II 格式的 world file 進影像的 地對位。world file 檔面包含個控制點的影像座標與地面座標，以這些 控制點進座標轉換。 使用之影像為正射影像時，已有地對位資訊，如以 GeoTiff 格式儲 存之正射影像，則需另外編輯 world file。而使用非正射影像時，則需編輯 另外 world file，但是未經糾正，高差位移與傾斜位移問題依然存在，此 world 檔僅為敷貼 DEM 而作，具真實地意義。 影像座標 地面座標 圖四：MicroDEM World file 範 2.4 規劃航線與視角設定規劃航線與視角設定 規劃航線在於設定攝影機的位置，形成一續的飛曲線。飛航線的規劃
11、以能表現地形重點資訊與主題為要。多半在或平面圖或影像上以鼠將 飛軌跡繪出，再設定飛速與以攝影姿態定義出各動畫分鏡的攝影 機三維位置與設定飛時攝影姿態。 一般飛大多包含下幾項： Flight Height：設定飛高，又可分為絕對高與相對地表高，絕對 高是將攝影機固定在一固定航高飛，相對高則是設定攝影機固定於 地表上干高飛。 Declination：傾角，描述攝影機俯視角。 Right/left：描述攝影機的旋角。 Frame Separation：設定每一動畫分鏡的攝影位置間距，可已由每秒畫格 換算成模擬飛速，如每秒 16 格，每格相距 5 公尺的話，速為每 秒 80 公尺。 圖五：MicroD
12、EM 飛視窗 三、 實作三、 實作 3.1 MicroDEM 實作實作 以九份二山地區的資為實，製作由 Aster 影像合成的彩色衛星影像，其 空間解析為 15 公尺，搭配農航所 40 公尺的 DEM 進飛動畫的實作測試。 A.實作步驟： 1.先以 Surfer (Golden Software, 2003)將 40 公尺的 DEM 內插成 15M 的 DEM 。 2.開啟 MicroDEM 之 data manipulation 視窗 ， 進 DEM 格式轉換 。 入 ASCII 格式的 DEM 資 92m15.xyz 並設定地圖投影，輸出成 MicroDEM 內 定格式 92m15.dem
13、。 3.回到 MicroDEM 中以 open DEM 入 92m15.dem。 4.在 c:mapdatasats 目編輯 92mcolor.xy，一個與影像同名的.xy 檔，此即 World file 檔。 6.在 92mcolor.xy 輸入四個註冊點的影像座標與地面座標，完成地對位。 7.以 Open Image 入處好的彩色影像 92mcolor.jpg。 8.點選 Live flying 按鈕，在影像上出飛航線，使用自由飛模式。 9.設定飛。 10.在 Flight Control 面版中，可自由改變傾角(pitch)，旋角與航向，這 以自由飛模式進飛動畫之生成。 11.進入 PE
14、TMAR Trilobites BMP Movie Maker，將擷取的 JPG 格式之動畫分 鏡，輸出 AVI 格式的飛動畫。 B.飛設定 航高：2000M 垂直誇張係：2 畫格間隔：100M 輸出動畫像：300x300 畫格：199 航線與攝影姿態由自由飛模式中自由調整 C.實作結果 圖：九份二山地區飛模擬 3.2 Arcview 3D Analysis 實作實作 以 Arcview 3.2 為基礎 ， 使用相同的資 ， 搭配 3D Analyst 與 Flyby Animation Builder Extension，進動畫分幅影像的輸出，再以 fast movie processor
15、將輸出的 每幅圖片接成電影檔輸出之。 圖七：以 Arcview 3.2 為基礎的飛模擬 四、 結與建議四、 結與建議 本研究使用 MicroDEM 製作飛動畫，只需要有適當的資，即可快速地 進動畫製作，經由實作測試，MicroDEM 可以結合值高程資與影像資進 地形模擬飛動畫之製作，而且在效上優於以 Arcview 3.2 為基礎的商業軟 體套件，在簡單的測試中，同樣一組 300 幅的動畫分鏡，MircoDEM 只需分鐘， 而 Arcview 3.2 則需 30 分鐘的處時間。在畫質上者相差無幾，MicroDEM 所產生的畫質較為清晰而 Arcview 3.2 則較為柔和。MircoDEM 則提供自由飛 模式，可以自調整飛方向與視角，在飛過程中自動製為動畫分鏡，並可 以直接進動畫輸出，這一點非常有於增加製作時的彈性。而 Arcview 在飛 動畫模組的功能則缺乏這些功能，只能依照內定的飛進製作。以軟體 成本，執效，操作彈性等觀點而言 MicroDEM 均是好的飛動畫製作方 法。 考資考資 明德、傑斌，2002。地資訊系統 GIS，初版
