Методы ввода графической информации
Процесс ввода графического изображения (ГИ) состоит из двух этапов: считывание (восприятие) и кодирование элементов изображения.
Первый этап – восприятие, считывание – сводится к выделению отдельных графических элементов изображения (точек, отрезков прямых и т.п. элементов) и их преобразованию из графической формы в форму электрических сигналов, т.е. на этапе восприятия каждому графическому элементу ставится в соответствие электрический сигнал.
Второй этап – кодирование – обеспечивает преобразование электрического сигнала в двоичный код, который несет информацию, в общем случае, о типе элемента, его координатах, цветности и яркости.
В зависимости от сложности изображений для их ввода можно использовать различные методы ввода и различные устройства, их реализующие.
В зависимости от степени автоматизации процесса ввода ГИ устройства ввода принято разделять на три типа: автоматические, полуавтоматические, ручные.
В автоматических устройствах ввода процесс считывания происходит без участия человека. Область применения – ввод сложных графических изображений (карт, фотографий и т.п.).
В полуавтоматических устройствах ввода человек-оператор с помощью специального указателя (визира) вручную осуществляет поиск и выделения очередного вводимого элемента изображения. Восприятие же этого элемента (т.е. преобразование в электрическую форму) и кодирование осуществляется автоматически — аппаратными средствами устройства. Область применения – САПР, т.е. ввод схем, чертежей и т.п.
Основным методом ввода ГИ, допускающим автоматизацию, является известный матричный метод дискретизации —деления изображения на элементы и оптический метод восприятия элементов изображений. Сущность матричного метода заключается в разбиении изображение на элементы путем «нанесения» на изображение сетки, превращающей его в матрицу размерности mxn элементов. Считывание осуществляется путем восприятия отраженного от элементов матрицы светового потока и измерения его интенсивности. Восприятие светового потока осуществляется путем его преобразования в электрический сигнал, который затем преобразуется в двоичный код (оцифровывается) при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП), что и является первым этапом ввода ГИ.
Второй этап ввода – кодирование. Одна из целей кодирования – определение координат X,Y элемента изображения. Определение координат можно осуществить различными способами: рецепторным (рассмотренным выше), координатным, поэлементного кодирования. Сущность рецепторного метода кодирования: каждому элементу изображения ставится в соответствие код, полученный с выхода АЦП, который заносится в массив размерностью mxn элементов (рисунок 3.1). Этот массив образует описание изображения. Порядковый номер элемента m, nи код (получаемый с АЦП) – это почти полное описание элемента изображения. Затем параметры m, n пересчитывают в координаты X и Y, которые определяют необходимое положение элемента изображения. Недостаток рецепторного метода — избыточность описания: если изображение не очень сложное, то большинство элементов матрицы описания заполнено нулями.
Второй метод кодирования – координатный.Сущность метода состоит в том, что каждая точка изображения (элемент изображения) привязывается к координатной сетке X, Y и координаты xi, yi каждой точки i заносятся в таблицу. При этом элементом изображения является не массив mxn, а непосредственно точка изображения. (Таким образом, при бинарном кодировании – черный(0)-белый(1), описание элементов изображения менее емкое).
Таблица 1.1 соответствует примеру, представленному на рисунке 3.1.
| № точки | Координаты |
| X | Y |
| . . . |
Недостатки метода: трудно автоматизировать, поэтому используется в полуавтоматических устройствах (типа “планшет”) для ввода простых изображений (схем, чертежей), низкая скорость ввода.
Третий метод – поэлементного кодирования. Основан на использовании библиотеки примитивов. Под примитивами понимают элементы изображения, типичные для некоторой предметной области. Например, изображения логических элементов И, ИЛИ, и т.п. В библиотеке хранятся описания примитивов в виде таблиц, содержащих относительные координаты точек изображения примитива. Библиотека примитивов хранится в памяти ЭВМ. Сложное изображение, состоящее из примитивов, создается путем указания имени примитива и его места в сложном изображении. А именно — указанием координат этого места, а также указанием его размеров, т.е. масштаба. Описание сложных изображений, которые вводятся с использованием библиотеки примитивов, поддерживаются специальными графическими языками.
Область применения метода — системы автоматизации проектирования (САПР). Пример САПР — система “РСАD,” предназначенная для автоматизации разработки электронных схем на базе ИС и других элементов.
Реализация метода поэлементного кодирования не требует как таковых устройств ввода ГИ. В этом случае достаточно иметь устройство для задания (указания) места, куда надо поместить очередной элемент из библиотеки примитивов. С этой ролью успешно справляются известные устройства типа клавиатура или мышь, с помощью которых указатель (курсор) устанавливается в нужное место изображения.
Достоинства третьего метода — простота реализации. Недостатки — ограниченная область применения – ввод простых изображений. Особенности — необходимость масштабирования и ориентации в пространстве (поворота) элементов изображения.
Методы съёма координат в устройствах типа “планшет”
В устройствах ввода типа “планшет” как правило используют: электромеханический, акустический, электрический способы измерения (съёма) координат точек (элементов) изображения.
Измерение координат в устройствах электрического типа осуществляется путем преобразования угловых или линейных перемещений визира (указателя) в электрические сигналы, которые затем с помощью АЦП преобразуются в цифровой код. Оператор вручную с помощью визира (указателя) осуществляет поиск (выбор) очередного вводимого элемента изображения. Перемещения визира воспринимаются датчиками линейных перемещений DХ, DY по осям координат X и Y соответственно. Когда движение визира заканчивается, оператор нажимает кнопку и аппаратура планшета производит преобразование перемещений по осям X и Y в цифровые коды (рисунок 3.2). Точность измерения координат точек изображения определяется точностью датчиков перемещений.
В устройствах акустическоготипа съём координат основан на измерении времени распространения звуковых (ультразвуковых) колебаний от источника (генератора) колебаний, установленного на визире, до осей X,Y – краев поля изображения на планшете. Вдоль сторон X и Y планшета размещаются миниатюрные приемники звука (микрофоны). Измерение координат выбранного визиром элемента изображения осуществляется путем подсчета количества импульсов фиксированной частоты, поступающих в счетчики X и Y за время распространения звуковых сигналов от источника (генератора) сигналов до микрофонов. Генератор сигналов запускается от кнопки ПУСК,которую нажимает человек-оператор. В это же время начинается счет импульсов в счетчиках X и Y. Ближайший микрофон из числа расположенных вдоль оси X, который первым “услышит” звуковой сигнал, закроет (прекратит) счет импульсов в счетчике Y. Аналогичные процессы протекают и в счетчике X.
 |
Количество импульсов, зафиксированных в счетчиках X, Y, пропорционально координатам X, Y выбранного элемента изображения: X=V*tx , Y= V *ty, где V – скорость распространения звука (величина известная и постоянная), tx = nx*T, ty= ny*T, Т=const – период частоты сигналов (времени), подаваемых на счетчики X,Y; nx, ny – показания счетчиков X,Y (количество импульсов за время распространения звуковых сигналов до осей X,Y).
В устройствах электрического типа съём координат может осуществляться различными способами: контактным, емкостным, индуктивным. Для съёма координат в планшет встраивается система горизонтальных и вертикальных электрических шин — тонких проводников (сетка проводников), разделенных тонким слоем диэлектрика. Она образует ортогональную систему координат с шагом DX, DY, равным долям мм (например, 0,5 мм).
В устройствах с контактнымспособом съема координат в узлах пересечения горизонтальных и вертикальных шин (проводников) имеются отверстия в диэлектрике. Съём координат осуществляется путем нажатия специальным “карандашом” на выбранный элемент изображения. В результате нажатия происходит замыкание шин Xi и Yj. Замыкание (электрическое соединение) шины Xi с шиной Yj используется для определения порядкового номера шины по оси X. Значения координат определяются по формулам: X=DX*i, Y=DY*j, где DX=DY =const (например, 0,5 мм).
Структура устройства контактного типа представлена на рисунке 3.3. Здесь для съёма координат используется распределитель сигналов, выполненный на основе генератора импульсов ГИ, счетчика СчУ и дешифратора DCY, с помощью которого горизонтальные шины Y1,…,YN последовательно возбуждаются сигналами (импульсами с выходов DCY). В момент замыкания шин (карандашом К) сигнал с шины Yj попадает в шину Xi и с помощью шифратора CDX преобразуется в двоичный код, где i – номер шины Xi. Значение j снимается со счетчика СчУ, входящего в состав распределителя сигналов. Основной недостаток – низкая разрешающая способность.
 |
В устройствах индуктивноготипа шины X и Y возбуждаются последовательно, сначала X1,…,XM, потом Y1,…,YN, от генератора высокочастотных (электрических) колебаний. Съёмник (приёмник) колебаний располагается на визире планшета. В качестве приемника используется катушка индуктивности, которая воспринимает (измеряет) величину электрического поля в точке изображения. Номер i шины Xi, с которой снимается максимальный сигнал, и определяет значение координаты по формуле X=DX*i. Съём координаты Y осуществляется аналогично: номер j шины Yj определяется приемником колебаний.
В ёмкостных устройствах взаимодействие визира с координатной сеткой X,Y осуществляется емкостной, а не индуктивной связью.
Точность съема координат в устройствах электрического типа определяется, очевидно, расстоянием (шагом) между электрическими шинами DX=DY =d: чем больше шин приходится на 1 мм, тем меньше d и выше точность съема координат (выше разрешающая способность).
Примеры планшетов. СМ 6424 – формат А2, разрешающая способность d= 0,01 мм. Дигитайзеры фирм Cal Comp, Summa graphics, Curba: размеры планшета — от 300х300 мм до 1200х1200 мм. Разрешающая способность от 40 до 80 линий на мм.
Устройства ввода ГИ
Устройства ручного ввода ГИ мы фактически уже рассмотрели, обсуждая различные методы восприятия изображения и съема координат. Примеры планшетов представлены в предыдущем параграфе. Примером устройства автоматического ввода ГИ является сканер. Принципы организации сканеров рассмотрены в предыдущей главе 2.
Источник
Способы ввода графической информации в ГИС
Министерство образования и науки Украины
Запорожский национальный университет
Конспект лекций
Тема 5
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИС
СОДЕРЖАНИЕ
5. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИС. 3
5.1. ВВОД ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ГИС. 3
5.1.1. Растровый и векторный форматы. 3
5.1.2. Стандартные форматы. 3
5.1.3. Способы ввода графической информации в ГИС. 5
5.1.4. Выбор способа ввода графической информации. 8
5.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ 9
5.3. ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ДАННЫХ В ГИС. 11
5.3.1. Определение положения точек на поверхности Земли. 12
5.3.2. Координатные данные. 14
5.3.3. Номенклатура и разграфка топографических карт. 19
5.3.4. Атрибутивное описание. 26
5.3.5. Векторные и растровые модели. 28
5.3.7. Оверлейные структуры. 35
5.3.8. Трехмерные модели. 38
5.4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В ГИС 40
5.4.1. Понятие обьекта. 40
5.4.2. Понятие слоя. 50
5.4.3. Системы координат. 58
5.5. ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕМАТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ГИС. 59
5.5.1. Системы управления базами данных. 59
5.5.2. Реляционные СУБД. 60
5.5.3. СУБД, применяемые в ГИС. 62
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИС
ВВОД ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ГИС
Растровый и векторный форматы
Пространственная информация в ГИС может быть представлена в растровом и векторном форматах. Растровые данные получаются, подобно фотографии, в виде отдельных точек, которыми манипулируют компьютерные программы как по одной, так и группами. Растр применяется в основном там, где графическая информация должна быть просмотрена, но не нуждается в модификации или анализе. Настольные издательские системы являются прекрасным примером работы с растровыми изображениями.
Векторные данные исторически используются в ГИС и CAD системах для представления информации, которая нуждается в анализе и манипулировании. Как показывает название, они хранятся в виде точек и линий, связанных геометрически и математически. Эти связи означают, что информация может толковаться как серия индивидуальных точек, а может образовывать новые сложные структуры данных. Наличие атрибутов позволяет интерпретировать информацию, например, о типе почв, гидрологической сети или жилых строениях. Такая информация обычно хранится в сопутствующих базах данных.
Большинству ГИСовских программ требуется, чтобы данные были представлены в векторном формате, хотя в ряде систем допускается использование растровых картинок в качестве «подложки» или иллюстраций, например, изображение примечательного здания.
Стандартные форматы
Как в группе растровых, так и в группе векторных изображений, форма записи в файл в каждой конкретной системе неодинакова. Исторически сложилось так, что фирмы, специализирующиеся в области компьютерной графики, создавали каждая свои, казавшиеся им наиболее удачными, форматы графических данных. Форматом файла называется шаблон, по которому он создается. Шаблон описывает, какие именно данные (строки, одиночные символы, целые, дробные числа, символы-разделители) и в каком порядке должны быть занесены в файл. Если ГИС «знакома» с форматом, она может прочитать данные из файла этого формата и правильно их интерпретировать, и наоборот, записать свои данные в этом формате и быть понятой другой системой.
Форматов существует огромное множество, некоторые из них настолько популярны, что стали практически стандартами, что связано с распространенностью пакетов, в которых они используются, и характеристиками самого формата, к которым можно отнести быстроту чтения/записи, величину, на которую удается сжать файл (очень важная характеристика, поскольку графические файлы, особенно растрового формата, занимают много места), полноту описания информации. Некоторые форматы были приняты в качестве стандартных на основании решений комиссий по стандартам. Так, формат IGES, имеющий статус национального стандарта США, был принят международной организацией стандартизации ISO.
Как правило, ГИС работают в своем собственном внутреннем формате данных, наиболее удобном для конкретной системы, но поддержка возможно большего количества стандартных форматов необычайно важна, поскольку объемы уже введенных графических изображений велики и не имеет смысла вновь производить трудоемкие работы по вводу информации, гораздо проще ее купить (для чего необходимо «понимать» формат хранения этой информации). Кроме того, возможно также, что пространственные данные вводятся в самостоятельной системе ввода, имеющей собственный формат, отличный от применяемого формата ГИС; нецелесообразно отказываться от работающей и привычной системы, легче переводить полученные данные в ГИС-формат и обратно. Можно вводить данные в своем формате и обмениваться ими, осуществляя перевод в нужный формат. При этом существует только одно «но»: формат хранения должен быть достаточно полным, ведь в отличие от координат, которые могут быть легко переведены из целых чисел в дробные, отсутствующие атрибуты и описания перевести в тот формат, где они необходимы, невозможно.
Стандартные форматы существуют как для растровой, так и для векторной информации. К растровым форматам относятся, например, PCX, TIFF, GIF.
Формат PCX использует простейший способ сжатия изображений, позволяющий выполнять быструю перепись из файла в видеопамять и обратно. Его используют при работе многие графические редакторы.
Формат GIF при достаточно простой структуре файла и наличии небольшого числа атрибутов изображения, использует более эффективный, чем PCX, алгоритм сжатия.
Формат TIFF имеет множество атрибутов, позволяющих описывать сложные изображения. Помимо графических редакторов, он используется в программах, поставляемых вместе со сканерами. Предполагается, что файлы формата TIFF будут созданы при помощи сканеров, либо графическими редакторами ГИС. При создании этого формата была разработана такая структура файла, которая минимизирует изменения в структуре при последующих добавлениях новых возможностей.
К векторным форматам относятся форматы DXF, DX90, PIC, DWG, IGES, DGN, HPGL и многие другие. Векторные форматы, в отличие от растровых, содержат по существу команды управления положением «пера» и задания его атрибутов. Распространенный формат DXF появился из пакета AutoCAD и стал стандартом в связи с его популярностью. В настоящее время он используется как обменный для переброски данных между CAD приложениями. DXF хорошо документирован.
Способы ввода графической информации в ГИС
Существует несколько способов ввода информации в ГИС методом цифрования: по точкам, потоком, по «подложке», автоматическое и интерактивное.
Цифрование по точкам
Этот способ является самым старым из всех перечисленных. Оператор обводит курсором дигитайзера контур, нажимая при этом необходимые клавиши. При каждом нажатии в компьютер посылается код клавиши и/или координаты точки пересечения нитей курсора. Изображения обведенных линий и объектов появляются на экране монитора. Этот метод не требует специализированной аппаратуры (кроме дигитайзера) и сложного программного обеспечения, однако является чрезвычайно трудоемким процессом, подверженным к тому же ошибкам со стороны оператора.
Этот метод практически ничем не отличается от предыдущего, это скорее просто другой режим работы дигитайзера, при котором с планшета дигитайзера, по сути представляющего собой проволочную сетку, сигнал будет подаваться не при нажатии на клавишу, а при пересечении курсором линий сетки, что избавляет оператора от необходимости постоянно нажимать на клавишу. С этим методом связано неудобство хранения большого количества лишних координат, получающихся при пересечении линий сетки. Таким режимом работы обладает большинство распространенных дигитайзеров, таких, как Altek, CalComp, Mutoh, Numonics, Summagraphics.
Цифрование по «подложке»
Этот метод также называют цифрованием на экране. Он требует специализированного, сложного программного обеспечения и мощной аппаратуры, так как связан с большим быстродействием и использованием значительных объемов памяти. Отсканированное изображение из файла выводится на экран монитора, и само цифрование осуществляется по этой «подложке», обычно при помощи «мыши». Здесь каждый объект, как и в традиционном цифровании, оператор должен «обвести», только не на планшете, а на экране. В основе метода лежит «умение» машины распознать направление «обхода» объекта в его поточечном изображении. Эта задача прямо связана с качеством исходного материала и сложностью карты. Несмотря на трудоемкость, этот способ позволяет добиться гораздо большей точности, чем при обычном цифровании, поскольку линии проводятся прямо по линиям, полученным со сканера.
Когда об этом методе было заявлено впервые, он расценивался многими как панацея от всех бед. Автоматическое цифрование подразумевает очень небольшое по сравнению со всеми остальными способами вмешательство оператора в работу системы. Карта вначале сканируется, а затем автоматически переводится в векторный формат. Этот тип ввода информации состоит из этапов предварительного редактирования, непосредственного перевода из растрового формата в векторный и окончательного редактирования. Некоторые программные продукты корректируют всевозможные помехи (пятна, грязь и др.) с использованием специальных программ. Эти системы по заложенным в них образцам распознают символы, линии, окружности и т. п. могут работать в пакетном режиме, что еще более ускоряет процесс.
Окончательное редактирование обязательно проводится после перевода форматов. Оно необходимо, поскольку даже самая изощренная программа может неверно распознать объект, принять, например, символ за группу точек, определить площадь как набор линий и т. п. Каждый программный продукт обладает различными возможностями корректирования таких ошибок. Время заключительного редактирования на этом этапе занимает 63-75% общего времени в зависимости от того, на рабочей станции или персональном компьютере проводится работа.
Автоматический перевод из растрового формата в векторный наиболее удобен в том случае, если обрабатывается большое количество однотипных простых чертежей или карт.
Оно соединяет в себе черты автоматического цифрования и цифрования на экране. Термин «интерактивный» применяется, поскольку распознавание непонятного для машины объекта производится оператором непосредственно в процессе работы, а не в отдельном сеансе. Этот подход позволяет различить такие объекты ГИС, которые не являются явно определимыми, а «выводятся» из картографических изображений, например, оси дорог, центральные точки символов, расплывчатые границы болотистых участков. Интерактивное цифрование лучше всего справляется с картами средней сложности и исходным материалом хорошего качества, оно дает очень неплохие временные результаты. Однако на сложных картах запросы к оператору могут стать настолько частыми, что время процесса станет сравнимо с временем традиционного цифрования и может даже превзойти его.
Дата добавления: 2018-04-05 ; просмотров: 882 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
