UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE Přírodovědecká fakulta Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie
MOŽNOSTI ANIMACÍ V GEOINFORMATICE A KARTOGRAFII
Lukáš Vít, 1. NKARTGD LS 2009
1/ Úvod Není pochyb, že žijeme v době takzvané informační společnosti. Obvykle se tímto termínem myslí společnost, která „je charakteristická podstatným využíváním digitálního zpracovávání, uchovávání a přenosu informací“ (Vacek, J., URL 1). Také se lze setkat s tvrzením, že z veškerého majetku a potenciálu firmy jsou nejdůležitější součástí data, potažmo informace či postupy. Data musí být nejprve nějakým způsobem získána a zpracována; tímto krokem se zvyšuje jejich přidaná hodnota. Pokud bychom došli v pomyslném řetězci práce s daty a informacemi až k samotnému závěru, dostali bychom se ke složce prezentační. Účel prezentace může být rozličný, např. ohromit zákazníka, modelovat neexistující situaci nebo zdůraznit vývojový trend. A právě pro tyto účely může být velmi přínosné využití animace. Tento krátký projekt se zabývá animačními schopnostmi programů, které mohou být využity v rámci oboru kartografie a geoinformatika, přičemž největší důraz je kladen na animační programy komerčních i nekomerčních GIS. V první části se práce velmi stručně zabývá problematikou tvorby animací a jsou zde nastíněny a vysvětleny některé zásadní termíny. Následuje náhled způsobů, jakými by bylo možné animace v rámci geoinformatiky dělit. Praktická část se zabývá animačními možnostmi vybraných programů; kriticky jsou diskutovány jejich silné a slabé stránky. Je snahou volit takové programy, které reprezentují nějaké odvětví v rámci geoinformatiky a které jsou běžně dostupné. Praktickým výstupem je série krátkých animačních videí, jejichž cílem je předvést některé základní animační techniky popisovaných programů. 2/ Stručně o animacích1 „Za animaci lze považovat vytváření situace - scén, které simulují skutečnost, která nenastala.“ (URL 5, s. 1). Poněvadž je problematika animací velmi rozsáhlá, je nutné omezit se zde opravdu jen na pár základních informací. Animace bývá nejčastěji definována jako „způsob vytváření zdánlivě se pohybujících věcí“, (URL 6), počítačová animace pak jako „druh umění, kde film vzniká pomocí výpočetní techniky“ (tamtéž). Nápověda programu ArcGIS animaci definuje jako „vizualizaci změn vlastností objektu nebo skupin objektů“ (ArcGIS Desktop Help). Zdánlivý pohyb vzniká z nedokonalosti lidského oka. Když sekvenci snímků, které se vzájemně drobně liší, pustíme v rychlém sledu za sebou, oko vnímá tuto rychlou změnu jako pohyb. Je logické, že čím rychleji se snímky střídají, tím je iluze pohybu věrohodnější (pohyb není trhaný). S výše uvedeným souvisí zcela zásadní pojem fps (frames per second). Toto číslo udává počet snímků, které jsou za 1 sekundu vystřídány. Čím vyšší fps, tím se animace jeví plynuleji. V praxi využívané fps se může výrazně lišit. Na území USA se například v televizním vysílání běžně používá fps 30 (tzv. NTSC format – viz URL 7), v rámci dynamické kartografie se hovoří o minimálním fps 24 (Köbben, URL 8). Nicméně pro animace v prostředí internetu se z důvodu omezení velikosti používá např. i fps 15 (běžné pro formáty avi) nebo fps 12 (defaultní hodnota pro program Adobe Flash). Podle způsobu tvorby se animace často dělí na snímkové („frame-based“) a objektové („castbased“) (Peterson, URL 9 in Časarová, 2008). Výše popsaný způsob se blíží animacím 1
„animace“ – z lat., znamená „oživení“. Historicky znali princip animace již Egypťané, vědecky byl popsán poprvé v roce 1824 Peter Mark Roget v díle „O zachování obrazu pohybujících se předmětů“. (URL 31).
snímkovým (dochází k rychlému střídání celé scény se vším, co se na ní nachází); v objektové animaci je pozadí neměnné a animace pohybu se týká pouze jednotlivých objektů. Každý objekt je možné animovat zvlášť. Grafikovi tento koncept ušetří spoustu práce a celková tvorba je flexibilnější. V současnosti při tvorbě po sobě jdoucích snímků jednotlivých objektů (ve vektorové grafice) již není třeba tyto snímky ručně vykreslovat, výhodně lze využít matematický algoritmus obsažený v grafických programech. Uživatel zadá jako vstupní parametry polohu a tvar objektu v tzv. klíčových (někdy též „uzlových“) snímcích a algoritmus je již schopen interpolovat polohu a tvar ve snímcích mezilehlých. Princip je znázorněn na obr. 1. Obr. 1 Princip změny polohy a tvaru objektu na základě počátečního a koncového klíčového snímku
Zdroj: v programu Corel Draw 12 vytvořil autor
Výše popsané algoritmy pracují většinou na principu rozkladu tvaru na jednotlivé úsečky, které se samostatně tvarově transformují. Jestliže je počáteční objekt (panáček) tvořen stejným počtem úseček jako koncový objekt (panenka), pak může být každý bod počátečního objektu interpolován s každým bodem koncového objektu. Problém nastává, pokud je počet úseček tvořících objekty odlišný. V tom případě je nutné ten z objektů, který je tvořen menším počtem úseček, násilně poddělit, aby se tento počet vyrovnal. (URL 5). Toto je však pouze jeden z možných přístupů. Trochu odlišný způsob je znázorněn na zmiňovaném obrázku 1. Tam je např. tělo panáčka tvořeno 14 úsečkami, tělo výsledné panenky 15 úsečkami; počet úseček které tvoří mezilehlé objekty se však pohybuje od 13 do 16. Jiným konceptem je například způsob, kdy se k tvarové interpolaci oblasti využívá skeletu (URL 5). Obtížnost tvorby animací se (z výpočetního hlediska) výrazně liší i podle toho, v jakém prostoru se pohybujeme. Pokud je uvažována animace ve 3D prostoru, jsou výpočty obecně výrazně náročnější (je nutno např. vyřešit možné překryty objektů ve smyslu, že objekt v popředí zastiňuje objekt v pozadí apod.) Jak již bylo uvedeno, problematika animací je velmi rozsáhlá a v této práci není prostor pro její hlubší rozbor.
3/ Využití animací v geoinformatice (příklady z praxe) Vizualizační stránka geoinformatiky a kartografie zastřešuje a shrnuje proces, kdy jsou výsledky práce prezentovány koncovému uživateli. Jedná-li se o statické dílo, při náročnějších vizualizacích bychom záhy narazili na fakt, že na omezeném prostoru potřebujeme zobrazit příliš mnoho informací. Problém by se ještě prohloubil v případě, že by bylo pro daný projekt potřeba znázornit nějaký vývoj, tedy změnu v čase, případně v prostoru. Částečným řešením (které se dodnes využívá) by bylo vytvoření série map či jiných kartografických produktů,
která by tuto změnu mohla vyjádřit (Kraak, 2007). Tímto způsobem může uživatel ze série map vyčíst přidanou informaci o vývoji zkoumaného jevu. Při dnešních možnostech je však výrazně efektivnější použít pro tyto účely služeb animací. Možností vyjádřit změnu v místě, čase a prostoru se zabývali kartografové zhruba od šedesátých let minulého století; tehdy však vzhledem k soudobým technickým možnostem pouze v rovině koncepční (Kraak, 2007). Velký rozvoj zažily animace s masovým rozšířením počítačů a grafických programů. Vzhledem k rychlému technickému vývoji se dnes stále zdokonalují animační možnosti GIS a zejména roste počítačová gramotnost veřejnosti a stále se tedy zvětšuje množina potenciálních uživatelů či „čtenářů“. V dnešní době probíhá distribuce většiny animačních děl, jak jinak, v prostředí internetu. Jak již bylo nastíněno v úvodu práce, úloha animací v rámci geoinformatiky a kartografie je především prezentační (snaha předpovědět budoucnost, snaha ukázat dlouhodobý trend, modelování virtuální reality, ...). Kde se tedy například lze v praxi setkat s využitím animací? Je nutné dodat, že níže uvedené obory představují jen vybrané příklady. Ač popisované obory nemají přímou souvislost s geoinformatikou, popisované typy animací vyjadřují nějaké uspořádání objektů či jevů v prostoru, a zde je již souvislost s geoinformatikou zjevná. Architektura a stavitelství Příklady z tohoto oboru jsou typické a všeobecně známé. Stačí se podívat na webové stránky jakékoli větší developerské firmy a obvykle lze narazit na nějaké animace, které znázorňují budoucí prostorové uspořádání nového sídliště či nového dálničního tunelu. Velmi pěkné příklady jsou ke shlédnutí např. na webových stránkách společnosti Artoo s.r.o. (URL 2). Dalším příkladem může být prezentace vnitřního prostoru katedrály v Hradci králové, která je ke shlédnutí v prostorách výstavy v budově královéhradecké knihovny. Data v této prezentaci byla pořízena dlouhodobým pozemním skenováním interiéru katedrály. O této problematice a o tvorbě animací v programu Photo Modeler (který může sloužit k podobným účelům, avšak využívá jiné technologie k získávání prostorové informace) bude řeč dále. Doprava V simulaci dopravních situací je využití animací logické, protože doprava je sama o sobě časoprostorově proměnný jev. Animacím v dopravě se detailněji věnuje diplomová práce Mgr. Evy Časarové (Časarová, 2008). Astronomie Animace mohou uživateli zpřístupnit místa, na která se fyzicky patrně nikdy nedostane. Dobrým příkladem může být např. přelet nad údolím Valles Marineris na Marsu (URL 4). Podobným příkladem mohou být různé průlety nad krajinou, kdy má uživatel možnost sledovat reliéf z ptačí perspektivy. Animace tohoto typu nabízí na svém webu např. firma Kartografie HP (URL 10). Klimatologie Uživatel může být formou animací informován o určitých dlouhodobých globálních změnách klimatu nebo například o ročním chodu teplot kontinentů, jak je tomu na webových stránkách University of Delaware (URL 11).
4/ Dělení animací Možností jak rozdělit animace v rámci geoinformatiky se jistě najde velké množství; každé dělení závisí na kritériích, na základě kterých jej realizujeme. Jak píše Časarová, „kartografické animace jsou poměrně novou problematikou ... díky tomuto faktu je i jejich klasifikace zatím poněkud nekomplexní a neuspořádaná a každý autor tak uvádí své vlastní rozdělení.“ (Časarová, 2008, s. 25). V rámci kartografické literatury se animace často dělí v souvislosti s tím, jakou roli v nich hraje změna času, na temporální a netemporální animace (Kraak, 2007); často se ještě vyčleňuje skupina animací klasifikačních (např. Peterson, 1995, URL 12). Pro účely této práce však není tohle členění příliš vhodné, protože se dívá na animaci jako na hotový celek; nás však v kontextu práce spíše zajímá, jak animace byla vytvořena. Níže je uvedeno několik členění, která se snaží problematiku uchopit z různých stran. Tato dělení vytvořil autor práce na základě vlastních zkušeností a nelze je považovat za oficiální a obecně platná. Dělení podle způsobu tvorby Podle způsobu tvorby je možné rozdělit animace na animace tvořené v uživatelsky vstřícném interaktivním režimu a na animace tvořené přímo pomocí skriptovacího jazyka. Pokud tvoří uživatel animaci interaktivně, má obvykle k dispozici nějaké ovládací prvky, pomocí kterých může například natáčet celou scénu či měnit polohu slunce a s tím související sluneční osvit a délku vrhaných stínů. Také tvorba pohybu objektů je velmi jednoduchá, často stačí pouze definovat, podél které z existujících linií se má pohyb uskutečnit. Takovouto interaktivitu nabízí např. ArcGIS. Druhý způsob je výrazně komplikovanější, není však příliš častý. Zde uživatel definuje vlastnosti a řídí průběh animace pomocí skriptovacího jazyka. Musí zde ručně nejprve nadefinovat proměnné jako je rychlost pohybu či poloha počátečního bodu a pak jim přiřazuje konkrétní hodnoty. Tento způsob používá např. program AGIS for Windows. Níže je uvedená ukázka modelového skriptu. bitblt() // set bitblt display update mode randomize() // randomize the random number generator message(AGIS script demonstration - randomly wandering albatross. Does 250 frames.) variables($mlong,$mlat,$mdir) variables($speed,$direction,$rotation) variables($maxspeed,$maxrotation) variables($count,$phase,$top,$bottom,$left,$right) variables($numpoints,$varscale) // initialise variables $varscale=20000000 // scale 1:20000000
Zdroj: přejato z nápovědy programu AGIS for Windows Dělení podle možností exportu Animaci uživatel tvoří v rámci prostředí konkrétního GIS. Je však vhodné, pokud je možné tuto animaci posléze exportovat do nějakého obvyklého video formátu (avi, mpeg, wmv, ...) a zpřístupnit ji tak i uživatelům, kteří daný GIS nevlastní. Nejpoužívanější ArcGIS export animací podporuje (do formátu .avi, dále je zde výběr různých kodeků), mnoho volně stažitelných GIS tuto možnost ale neposkytuje a animaci je tak možné přehrát pouze v rámci GISovského prostředí. Některé softwary nejsou schopné exportovat animaci do konkrétního
přehratelného videoformátu, nabízí však alespoň možnost vytvořit z animace sérii snímků, se kterými lze dále pracovat. Podpora vzdálených databází Je možné dělit animace podle toho, odkud jsou čerpána data, tedy zda jsou data uložena na lokálním disku či zda jsou stahována přes sdílenou internetovou databázi. Možnost sdílení dat nabízí uživateli např. open source prográmek TimeMap. Tento program by měl (dle nápovědy) umožňovat uživateli založit vlastní databázi na vzdáleném serveru prostřednictvím tzv. ECAI Metadata Clearinghouse. Tato možnost byla v praxi testována, ale registrace na serveru bohužel nebyla ani při opakovaných pokusech úspěšná. Dělení podle programů, ve kterých animace vznikla Toto dělení představuje možná nejpřirozenější způsob. Animace by podle tohoto hlediska bylo možné rozdělit na - animace vytvořené v GIS - animace vytvořené v negisovém programu1 (např. v programu určeném primárně pro DPZ, laserová data nebo fotogrammetrii) - animace v grafickém programu (např. Adobe Flash nebo jiný běžně užívaný program pracující s vektorovou grafikou) Dělení podle vizuální stránky Tímto způsobem by bylo možné rozdělit animace na základě toho, co je animováno, neboli „co se během animace mění“. Je jasné, že mnoho animací bude patřit zároveň do více skupin, naopak některé se danému schématu mohou zcela vymykat:
1
-
mění se poloha objektů – během času se jednotlivé objekty pohybují po předem vymezených trajektoriích o může jít například o dopravní mapy nebo o animace, které simulují trasy tažných ptáků
-
mění se vlastnosti celé scény, nikoli však vlastnosti jednotlivých objektů o mění se poloha kamery, která snímá scénu – např. různé průlety nad 3D modelem v ArcScene, letecký simulátor v rámci Google Earth, otáčení Země v Arc Globe o mění se vlastnosti scény – např. změna oslunění a s tím související pohyb stínů
-
vizualizace jednotlivých vrstev – data (reps. vektorové vrstvy) jsou různě znázorňována o sem by bylo možné zařadit výše zmíněné klasifikační animace – tatáž data jsou během času členěna do různého počtu tříd s použitím odlišných klasifikátorů (K-means, metoda směrodatných odchylek, ...) a vizualizována různými způsoby o mění se vlastnosti vrstev, např. jejich průhlednost, symbologie, atd. o data jsou zobrazována na základě časového údaje – tzv. Temporal GIS (viz dále)
-
dále by bylo možné vyčlenit samostatnou skupinu zvanou v rámci některých programů „group animation“
toto rozdělení může být leckdy zavádějící, např. program PCI Geomatica má také prvky GIS (práce s vrstvami, prostorové analýzy, ...), přesto by tento program málokdo zařadil mezi typické GIS.
o v tomto typu animace jsou v určeném sledu postupně zobrazovány jednotlivé vrstvy či rastry; jedná se o velmi primitivní typ animace, který je založen na prostém střídavém zobrazování Mnoho programů umožňuje jednotlivé zmíněné typy kombinovat. Temporal GIS Termínem temporal GIS (též T-GIS) se obvykle myslí GIS systém, který umí pracovat se čtvrtou dimenzí, tedy s časem. V současné době využívání T-GIS roste a někteří autoři (např. Johnson, URL 13) považují vývoj těchto časových GIS za zlom ve výzkumu geografických informačních systémů. Obecně se soudí, že hlavní síla T-GIS je v analýze časoprostorových dat. Při filtrování dat je možné pokládat dotazy napříč časových spektrem. O této problematice a její aplikaci při analýze časoprostorových dopravních map je více např. na URL 14. Vzhledem k zaměření této práce nás však více zajímá využití temporal GIS pro animace. Abychom mohli považovat nějaká data za časoprostorová, musí tato data (resp. jejich atributová tabulka) obsahovat časový údaj. Z hlediska tvorby animací se obvykle jedná o dva časové údaje. O čas, ve kterém daný objekt (vrstva) začíná svou existenci a naopak o čas, kdy svou existenci končí. Při následném spuštění animace se příslušná GIS vrstva zobrazí jen v časovém intervalu, který odpovídá období mezi časem začátku a konce existence. Lépe bude tuto problematiku ukázat na příkladu. Vrstva (např. ve formátu shapefile) znázorňuje území, na kterém se rozkládala tzv. první republika. V atributové tabulce má tato vrstva položku „vyhlášení“ s hodnotou 28.10. 1918 a položku „konec“ s hodnotou 15.3. 1938. V některém z GIS, které tyto časové funkce podporují, je následně vytvořena časová animace s počátkem např. v roce 1900, s časovým krokem 1 rok. Když je animace spuštěna, zobrazuje požadovaná data na základě toho, zda jejich časové atributy odpovídají aktuálnímu času animace. Pro náš příklad - ve chvíli kdy animace dojde k datu 1919, je zobrazena vrstva reprezentující území první republiky. A tato vrstva je zobrazována stále znovu, až do roku 1938. Tehdy podle atributové tabulky končí její existence a její viditelnost je od té chvíle nastavena na „false“ (obrazně řečeno). Tento koncept časových animací je velmi vhodný pro data z historie, kdy jednotlivé prvky vznikají a opět zanikají, též se jedná o vhodný způsob pro vyjádření vývojových trendů, např. nárůstu měst. GIS které umí tímto způsobem pracovat dnes není mnoho. Mezi jejich zástupce lze zařadit ArcGIS a zejména open source program TimeMap (viz dále). 5/ Příklady jednotlivých programů V této kapitole jsou popsány animační možnosti vybraných programů, které se mohou uplatnit v oblasti geoinformatiky a kartografie. Aby měla tato kapitola nějakou strukturu, bude rozumné rozdělit popisované programy podle jejich primárního zaměření, a to na (1) typické GIS, (2) negisové programy, (3) grafické programy (viz jedno z dělení popsaných v předešlé kapitole). S trochou nadsázky lze říci, že v současné době je možné vytvořit nějakou (byť leckdy pouze primitivní) formu animace v téměř každém programu. Následující text představuje tedy pouze malý výběr programů. Při tvorbě tohoto textu byla snaha, aby popisované programy a jejich animační možnosti byly nějakým způsobem typické a reprezentativní. Animační možnosti níže uvedených programů byly během vytváření práce testovány v praxi. Výsledné animace jsou ke zhlédnutí na adrese http://www.lukasek.webzdarma.cz/projekt_animace_v_kartografii_final.php . Tato
dynamická internetová stránka načítá svůj obsah z databáze phpMyAdmin (na serveru www.webzdarma.cz), kterou může uživatel ovládat pomocí roletového menu pro výběr žádaných položek. Ovládání databáze bylo napsáno ve skriptovacím jazyku PHP. První dvě roletová menu jsou vzájemně provázána, třetí (výběr konkrétní animace dle názvu) je zcela nezávislé. Pro správnou funkčnost stránky je nutné mít nainstalován přehrávač Flash Player v nějaké současné verzi. Animace jsou zde z pochopitelných důvodů v relativně nízké kvalitě, aby nebyly kladeny příliš vysoké požadavky na rychlost internetového připojení. Většina jich je stahována pomocí zábavního serveru youtube.com, kam je umístil autor práce. Ještě by bylo vhodné uvést pár poznámek k vytvořeným animacím. Všechny vytvořené animace jsou velmi krátké – jejich smyslem je představit možnosti testovaných programů (i s jejich nedokonalostmi), nikoli udělat profesionální animační dílo. Co se témat týče, jsou všechny animace zaměřené geograficky (ať se již jedná o geografii fyzickou či sociální). Všechny animace jsou postaveny na reálných datech, zobrazují skutečnou situaci.
1/ GISové programy ArcGIS ArcGIS od společnosti ESRI představuje dnes špičku mezi komerčními geografickými informačními systémy a patří mezi ty nejrozšířenější. ArcGIS je primárně zaměřen na analýzu dat (v současnosti se také výrazně vylepšují nástroje pro tvorbu mapových výstupů), nabízí však i široké spektrum způsobů pro tvorbu animací. Vzhledem k tvorbě animací má každý ze tří hlavních ArcGISovských programů svá specifika. ArcGlobe V rámci ArcGlobe může uživatel nasimulovat rotaci Země. Většina ovládání probíhá prostřednictvím myši. Na jednu stranu je tedy ovládání velmi intuitivní, na druhou stranu ale v mnoha ohledech nepříliš šikovné. Nevýhodou je velká náročnost na operační paměť. Animace v ArcGlobe jsou vhodné např. pro prezentaci globálních jevů, jako jsou změny klimatu, teplota moří a oceánů, stav ozónu, ... a jejich změna v čase. Modelové animace na webových stránkách tohoto projektu: 1) jednoduchá rotující Zeměkoule 2) ukázka rotujících časových pásem. Zdroj dat: GIS vrstvy dostupné pro studijní účely na půdě PřF UK ArcScene ArcScene je vhodným nástrojem pro tvorbu prostorových scén a pro simulaci virtuálního světa. Z hlediska animací se zde nabízí více různých možností, které uživatel může vzájemně kombinovat. Průlet Pomocí nástroje s vhodně vybranou ikonkou ptáčka může uživatel prolétávat skrz uměle vytvořenou 3D krajinu. Uživatel pomocí tohoto nástroje vytvoří trasu pohybu, kterou se může následně opakovaně přehrávat nebo ji exportovat. Vše je ovládáno myší; ovládání je ale velmi nešikovné a vyžaduje cvik.
Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu:průlet předměstím Horažďovic (animace vznikla již dříve, v rámci předmětu Vizualizace prostorových dat). Pohyb objektů (Move Layer along Path) Velmi efektní jsou animace, kdy se jeden nebo více objektů pohybuje po předem vytyčené dráze (např. pohyb automobilu nebo letadla po vymezené trajektorii). V jednom časovém okamžiku je možné realizovat více takovýchto pohybů a lze tedy například velmi pěkně nasimulovat dopravní provoz. Tento druh animací je možné kombinovat s různými pozicemi pozorovatele (Create Flyby from Path). Tímto způsobem je možné sledovat průběh animace ze vzdáleného místa, nebo např. umístit pozorovatele přímo do kabiny jednoho z automobilů. Problémem však je nedokonalá vizuální stránka animací – objekty se většinou pohybují mírně nad nebo pod povrchem místo na povrchu; místně je také problém s překreslováním 3D objektů během animace. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu:simulace dopravní situace na Vítězném náměstí v pražských Dejvicíc; v modifikované verzi znázorněn pohled z kabiny řidiče jednoho z automobilů. Zdroj dat: mapový server www.mapy.cz ArcScene umožňuje i tvorbu populárních prostorových kartogramů, kdy výška územní jednotky je ve vztahu k intenzitě sledovaného jevu. Prolínáním jednotlivých takto vytvořených vrstev je možné vytvořit působivou animaci. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: boj o křesla v poslanecké sněmovně mezi dvěma nejsilnějšími stranami ODS a ČSSD. Barva jednotlivých krajů vyjadřuje vítěze na tomto území, výška polygonu pak drtivost tohoto vítězství. Zdroj dat: webové stránky ČSÚ <www.czso.cz>. Změna vlastností scény Uživatel může vytvořit animaci, ve které mění parametry celé scény; může např. nastavit výšku a azimut slunce a společně se změnou barvy pozadí a kontrastu by mělo být možné simulovat průběh slunečního osvitu během dne. Ani přes velkou snahu se však v rámci testování nepodařilo vytvořit modelovou animaci tak, aby působila opravdu realisticky. Pro modelování přirozeného slunečního osvitu lze doporučit např. aplikaci Google Earth, která dává výrazně lepší výsledky. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: simulace slunečního osvitu na březích vodní nádrže Orlík. Zdroj dat: GIS vrstvy dostupné pro studijní účely na půdě PřF UK Nevýhodou ArcScene i ArcGlobe je fakt, že zde chybí nástroje pro přidání plnohodnotných základních kompozičních prvků (legendy, titulu, ...) Výsledný produkt je proto opravdu spíše animací, nežli plnohodnotným dílem dynamické kartografie. ArcMap ArcMap je patrně nejpoužívanější částí ArcGIS a představuje geografický informační systém v pravém slova smyslu (prostorové analýzy, modelování procesů v rámci fyzické geografie,
atd.) Animace vytvořené v ArcMapu nejsou vizuálně tak efektní jako animace v ArcGlobe či ArcScene, mají však o to větší vypovídací hodnotu. V zásadě je ArcMap schopen vytvářet následující typy animací. Group animation Při tvorbě animace typu „group animation“ se jedná o to, že uživatel nadefinuje pořadí vrstev, a ty se následně v daném pořadí na monitorů prostřídají. Tento jednoduchý způsob může být využit například pro popis nějakého vývojového trendu; jedná se však o způsob dosti primitivní a ArcMap nabízí i sofistikovanější přístupy k vytvoření podobných prezentací (viz dále). Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu:v rámci modelové animace se v tomto případě nejedná o trend, je zde zobrazena změna tvaru České republiky na několika zajímavých kartografických zobrazeních. Animace byla vytvořena ve spolupráci s programem Winkart, ve kterém byla vygenerována zeměpisná síť a tvar státu. Animace změnou vlastností vrstev Uživatel nadefinuje vlastnosti jednotlivých vrstev v rámci klíčových snímků animace. Mezi vhodné využití patří například plynulá změna průhlednosti jednotlivých vrstev. Jestliže v jednotlivých klíčových snímcích jedna vrstva ubírá na průhlednosti a druhá se naopak plynule stává průhlednou, tak se tyto dvě vrstvy vizuálně prolnou. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: plynulou změnou průhlednosti je realizován přechod mezi třemi tematickými mapami – přírodní poměry >>>administrativní členění >>> hlavní dopravní tahy. Zdroj dat: GIS vrstvy dostupné pro studijní účely na půdě PřF UK Časové animace Dalším, z hlediska tvorby patrně nejobtížnějším, typem animace jsou animace časové. V tomto případě musí mít data v atributové tabulce časový atribut, který definuje období, ve kterém mají tato data být během animace zobrazena. Jedná se o typický koncept Temporal GIS, který byl popsán v poslední části 4. kapitoly. Z hlediska tvorby jsou časové animace v ArcMapu poměrně obtížné a je třeba postupovat krok za korkem podle nápovědy. Patrně nejsilnější stránkou takto vzniklých animací je možnost spojení s grafy. Poněvadž graf je v ArcGIS po celou dobu své existence pevně propojen s daty v atributové tabulce, platí zde, že mění-li se v průběhu časové animace zobrazení vrstev, mění se současně i hodnoty v grafu. Slovní vyjádření je velmi kostrbaté, nejlépe je zhlédnout modelovou animaci: Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu:časové animace znázorňuje změnu míry nezaměstnanosti v krajích ČR; v souvislosti se změnou hodnot nepravého kartogramu (hodnota je vztažena k počtu obyvatel, nikoli k území) se současně mění i hodnoty v grafu. Zdroj dat: webové stránky ČSÚ www.czso.cz Síla animací v ArcMap spočívá i v tom, že zde je možné využít i nástroje pro tvorbu layoutu, jako je přidání legendy, měřítka, titulu atd. a je tak možné vytvořit plnohodnotný kartografický produkt.
Celkové zhodnocení ArcGIS je primárně systémem pro tvorbu sofistikovaných geografických analýz, tvorbu animací lze považovat spíše za nadstandard. A z tohoto pohledu jsou animační možnosti opravdu dobré. Výhody: - možnost vytvořit mnoho druhů animací - jednotlivé druhy lze vzájemně kombinovat (např. většina animačních typů popsaných zde v rámci ArcMap lze využít i v ArcScene a ArcGlobe) - silným nástrojem je propojení grafu s animovaným mapovým polem - animace lze exportovat do videoformátů .avi, uživatel může ovlivnit kvalitu komprese i použitý kodek - lze provést i export do videoformátu, který je přehratelný v prostředí ArcGIS (soubory .ama pro ArcMap, .asa pro ArcScene a .aga pro ArcGlobe) Nevýhody: - tvorba některých způsobů animací není uživatelsky příliš přívětivá - problémy s překreslováním ve 3D scénách během animace - nemožnost přidat základní kompoziční prvky v ArcScene a ArcGlobe
GRASS GIS Svobodný geografický systém GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) se v podslední době rychle dostává do povědomí GIS uživatelů. Jeho výhodou je volná šiřitelnost a dostupnost zdrojového kódu, což zaručuje soustavný vývoj amatéry i odborníky na celém světě. Systém je postaven na jednotlivých modulech, kdy každá funkční vlastnost je reprezentována samostatným modulem (URL 15). GRASS GIS pracuje jak s vektorovými daty, tak s rastry. Základní animace Základním způsobem animace je prosté střídání jednotlivých (max. čtyř) rastrových vrstev v rámci „Animation window“. Uživatel zde může ovlivňovat pořadí střídajících se vrstev a frekvenci (rychlost) změny. Tato animace je ve své podstatě totožná s tím, co je v rámci ArcMap nazýváno group animation (viz výše). Modul NVIZ Zajímavější způsob tvorby průletových animací nabízí modul NVIZ. Uživatel zde může nadefinovat polohu kamery v klíčových snímcích a systém posléze dopočítá mezilehlé polohy. Při testování se však objevoval problém se stabilitou celého systému, který při přidávání titulu a legendy do animace zpravidla zhavaroval. Modul NVIZ podporuje export ve formátu MPEG-1; též je možné uložit animaci jako sérii snímků a ty pak dále upravovat v jiných programech (nabízí se např. služby různých freeware prográmků typu GIF Animator apod.) Modul NVIZ umožňuje i interaktivní plánování průletové trasy. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: velmi jednoduchý průlet nad modelovým DEM (území North Carolina). Ve formátu GIF. Zdroj dat: modelová data poskytována na webových stránkách produktu GRASS.
GRASS GIS je systém modulový, v rámci tohoto projektu byly zkoumány animační možnosti jen v základních modulech. Více o GRASS GIS na URL 16.
Time Map Dobrým příkladem programu, který splňuje vlastnosti temporal GIS je Time Map, opensourcový progam, vyvíjený na půdě Archeological Computing Laboratory, University of Sydney. Tento produkt umí na základě časových atributů data zobrazovat a skrývat, podle principu uvedeného v podkapitolce o temporal GIS. Program funguje pod Javou. Výhodou tohoto programu je poměrně intuitivní ovládání a uživatelská vstřícnost. Nevýhodou je však nestabilita celého programu a fakt, že dosud nelze používat češtinu. Výsledné animace je možné exportovat ve fotmátu .avi nebo .swf. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: průběh vyhlašování velkoplošných chráněných území na území Ćeské republiky. Animace si díky flashovému formátu (viz dále) zachovává interaktivitu, jednotlivé tematické vrstvy lze zapínat a vypínat. Zdroj dat: Data získána z URL 17. Více o TimeMap např. na URL 13.
2/ NeGISové programy PCI Geomatica PCI Geomatica ve verzi 10 nabízí v modulu FLY z uživatelského hlediska dobré nástroje pro tvorbu průletů v prostoru. Vstupním souborem, nad kterým je realizován průlet, může být buď libovolný obrázek, nebo (lépe) nějaký digitální model území s výškovou informací. Výstavba a ovládání průletu sestává z několika nezávislých oken, jak ukazuje obrázek 2. Uživatel může vkládáním hodnot regulovat výšku letu, směr (azimut) letu, úhel pohledu a další atributy. Z uživatelského hlediska jsou tyto nástroje velmi přívětivé. Modul FLY nabízí možnost vytvořit si letovou trasu na základě série zlomových bodů a posléze pouštět cyklicky průlet po této trase stále znovu a znovu. Takto vytvořený průlet po trase je možné exportovat do série snímků v různých formátech. S pomocí dalších programů (viz např. již zmiňovaný GIF Animator) lze tuto sérii snímků dále upravovat.
Obr. 2 Panely nástrojů pro ovládání průletu
Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: modelovou animací je krátký průlet nad DMR České republiky. Digitální model, nad kterým je průlet realizován, vznikl v prostředí ArcGIS pomocí funkce Topo To Raster. Vstupní vektorovou vrstvou pro tuto funkci byla vrstva vrstevnic se ZIV 20 m. Následně byl DMR exportován jako geotiff. Zdroj dat: GIS vrstvy dostupné pro studijní účely na půdě PřF UK
Photo Modeler Systém Photo Modeler kanadské společnosti Eos Systems (sídlí ve Vancouveru) patří mezi profesionální programy pro zpracovávání úloh pozemní fotogrammerie. Typicky může být tento produkt používán například pro dokumentaci staveb nebo archeologických nalezišť (URL 18). Program pracuje s reálným prostorem (vznikají např. fotorealistické měřické 3D modely). Proto je možné považovat jej za vhodného zástupce neGISových geoinformatických programů. Animace V rámci Photo Modeleru se animace mohou uplatnit především pro prezentační účely, kdy je veřejnosti představen např. výsledný, do detailů propracovaný model budovy.
Animace se tvoří na základě definování klíčových snímků. Program dopočte obraz mezilehlých snímcích a výstup exportuje do běžného videoformátu. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu:animace fotorealistického modelu pomníčku Vojtěcha Náprstka na pražské Petříně. Model vznikl metodou průsekové fotogrammetrie v rámci předmětu Vytváření rámcových dat. Zdroj dat: terénní měření
3/ Grafické programy Do množiny grafických programů lze zařadit všechny zbylé animační programy, tedy takové, které nemají přímý vztah k oblasti geoinformatiky a kartografie. Tato skutečnost však neznamená, že by s jejich pomocí nebylo možné vytvořit plnohodnotné animace s kartografickou tematikou. Právě naopak, grafické programy jsou (narozdíl od GIS) určeny primárně k tvorbě grafiky a animací, proto obsahují vhodné nástroje a samotná tvorba animací probíhá obvykle mnohem snáze než v GISovském prostředí. Grafických programů je nepřeberné množství, zde je pouze nastíněn princip jednoho z nejpoužívanějších.
Adobe Flash Během rychlého vývoje internetu začali velmi brzy jeho uživatelé požadovat, aby kromě strohých textových dokumentů obsahoval též obrázky a grafiku. A po úspěšné implementaci grafiky zbyl již jen poslední krok k tvorbě internetových animací. K tomuto účelu může sloužit mnoho programů a zmiňovaný Adobe Flash patří mezi nejčastější. Flashové animace (ve formátu .swf) se obvykle začleňují přímo do struktury HTML stránky. Existuje však mnoho způsobů jak toto začlenění provést a na internetu je možné nalézt mnoho diskuzí, kde se profesionální grafikové dohadují o tom, jaký z těchto způsobů je nejvhodnější. Přesto však není výjimkou najít takovou verzi či takové nastavení internetového prohlížeče, které přehrávání flash animací nepodporuje. Pro zdárné přehrání animace je potřeba mít nainstalován volně stažitelný Flash Player (v současnosti je běžná verze 10). Jinou možností je exportovat animaci jako .exe soubor, který je již nezávislý na přítomnosti, resp. nepřítomnosti Flash Playeru. Animace Adobe Flash podporuje vznik vektorových objektových animací, kdy pohyb každé komponenty v celkovém obrazu může být řízen samostatně. Objekty mohou měnit svoji polohu i jiné vlastnosti (tvar, barvu, kontrast, etc.) Velkou výhodou je i fakt, že v rámci Adobe Flash existuje speciální programovací jazyk Action Script, pomocí kterého lze celou animaci ovládat (spuštění/zastavení animace, interaktivita navázaná na určité objekty, apod.) Z hlediska syntaxe v rámci Action Scriptu je možné vysledovat jisté podobnosti s Javou. Více o Adobe Flash např. na URL 19. Modelová animace na webových stránkách tohoto projektu: pohyblivá animace mořských proudů. Z důvodů generalizace jsou uvedeny pouze hlavní proudy. Velmi silnou stránkou je možnost tvorby pohyblivé aktivní legendy (legenda se zobrazí pouze na přejetí myší – událost
„Roll over“), kdy se objekty v legendě pohybují shodně jako v mapovém poli a je splněna jedna ze základních kartografických podmínek, že „co je v mapě, to je i v legendě“. Zdroj dat: Atlas světa, vyd. r. 1987. Jiný pěkný příklad aktivní legendy v praxi je k vidění na URL 20. Srovnávací tabulka zkoumaných programů Níže uvedená tabulka 1 sumarizuje to, co bylo popsáno v předchozím textu, snaží se tedy přehledně vyjádřit, jaké typy animací lze v jednotlivých programech dělat; tabulka se snaží zohlednit také uživatelskou vstřícnost (tento pohled je však čistě subjektivní). Tabulka 1 Typ animace
Arc Map
Arc Globe
Arc Scene
Geomatica
Photo Modeler
Time Map
GRASS
a
-
a
-
A
? A ? ?
Průlet a a A Pohyb objektů po trajektorii A Změna vlastností vrstev A a a Group animation A A A Změna vlastností scény A a Časové animace a a a Vysvětlivky: program neumožňuje a program umožňuje, funkce není uživatelsky příliš přívětivá A program umožňuje, funkce je uživatelsky přívětivá
Pozn. Jednotlivé typy animací korespondují s dělením „podle vizuální stránky“, které bylo nastíněno v kapitole 4. Tabulka nezahrnuje zmíněnou skupinu grafických programů.
Další programy Jak již bylo řečeno, představují výše popsané programy pouze malý vzorek kartografických a geoinformatických softwarů, schopných vytvořit animaci. V tabulce 2 jsou (již jen telegraficky) uvedeni další zástupci. Tabulka 2 další příklady geoinformatických/kartografických programů schopných tvořit animace
Název programu AGIS for Windows STEM GIS Google Earth, resp. placená verze Google Earth Pro LEO Works SWISH MapX Google SketchUp
Zařazení GIS GIS NeGISovský
Webová adresa
DPZ grafický GIS NeGISovský/grafický
http://www.eduspace.esa.int http://www.swishzone.com/index.php http://www.mapinfo.com/ http://sketchup.google.com/
http://www.agismap.com/ http://www.discoverysoftware.co.uk/STEMgis.htm http://earth.google.com
6/ Diskuze Bylo by celkově možné zhodnotit animační schopnosti programů v oblasti geoinformatiky a kartografie? Takové zhodnocení (pokud by mělo být objektivní) by vyžadovalo mnohem hlubší analýzu a patrně by vydalo na samostatnou práci. Jednotlivé programy nabízí výrazně odlišné možnosti pro tvorbu animací. Při hlubším hodnocení by musela být stanovena nějaká objektivní hodnotící kritéria, která by musela zahrnout všechny aspekty. Namátkou – jistě by zde musela na čelních místech figurovat kritéria jako výsledná podoba animace (její kvalita) nebo uživatelská vstřícnost při tvorbě animací. Bez provedení takovéto hlubší analýzy je možné zhodnotit animační schopnosti výše popsaných programů pouze slovně. Zde by bylo možné říci, že z popisovaných programů nabízí nejširší možnosti pro tvorbu animací ArcGIS. Pokud se ale podíváme na jednotlivé typy animací v ArcGIS, pro většinu z nich lze najít nějaký alternativní program, který pro daný typ animace dává lepší výsledky. Jinak řečeno – ArcGIS jde v možnostech animací spíše do šířky nežli do hloubky. Výjimkou jsou snad jen animace, kdy jsou data propojena s přiloženým grafem. Tento nástroj je dobře propracován a je možné s ním dosáhnout velmi dobrých výsledků. Grafické programy (např. výše zmíněný Adobe Flash) dávají při tvorbě animací v mnoha ohledech lepší výsledky než programy určené pro geoinformatiku. Zde je ale třeba vzít v potaz již dříve zmíněný fakt, že grafické programy mají jako primární cíl tvorbu animací, kdežto u programů z oblasti geoinformatiky je to jen vhodný prezentační nástroj.
7/ Závěr V současnosti hrají animace důležitou úlohu v prezentaci dat, ať už se jedná o data statistická nebo jinak zaměřená. S rostoucím rychlým rozvojem využití počítačů a techniky obecně se lze domnívat, že úloha animací jako prezentačních nástrojů do budoucna ještě poroste. Pokud nechtějí geoinformatické programy být pouze nástroji pro analýzu dat, musí s tímto trendem držet krok. Tato stručná práce ukazuje, že mnoho tvůrců programů z oblasti geoinformatiky si tento trend uvědomuje a nabízí uživateli mnohdy již velmi kvalitní prezentační nástroje. Budoucnost ukáže, kam bude směřovat další vývoj animací v oblasti geoinformatiky a kartografie.
Prameny a literatura Tištěné publikace Cartwright, W., Peterson, M., Gartner, G.: Multimedia Cartography. 2nd edition. Berlin: Springer, 2007. 546 s. ISBN 3-540-36650-4. Časarová, E.: Multimediální možnosti digitálních dopravních map. [soubor pdf] Praha: UK. Přírodovědecká fakulta. Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie, 2008. 72 s. Diplomová práce. Vedoucí diplomové práce Voženílek, V. Langra, G. 1992. Time in Geographic Information Systems. London: Taylor & Francis, 1992. 189 s. ISBN 07484-0059-1. Atlas světa. Praha: Geodetický a kartografický podnik v Praze, n. p., 1987. 94 s.
Internetové zdroje URL 1
Vacek,J.: Informační společnost. [online] Dostupné z
[Cit. dne 12.3. 2009 ]
URL 2
Artoo, s.r.o. [online] Webové stránky společnosti. Dostupné z [Cit. dne 15.3. 2009]
URL 3
Zákruta.cz. Dopravní informace pro Vaši bezpečnou jízdu. [online] Dostupné z [Cit. dne 12.3. 2009 ]
URL 4
Přelet nad údolím Valles Marineris na Marsu. [online] Dostupné z [Cit. dne 12.3. 2009 ]
URL 5
E-learningový program v rámci operačního programu Rozvoj lidských zdrojů. [online] Dostupné z [Cit. dne 17.3. 2009]
URL 6
Wikipedia. Internetová encyklopedie. Dostupné z < http://cs.wikipedia.org/wiki/Animace > [Cit. dne 16.3.. 2009]
URL 7
Definice pojmu fps. [online] Dostupné z [Cit. dne 16.3.. 2009]
URL 8
Köbben, B., Yaman, M.: Evaluating Dynamic Visual Variables [online] [Cit. dne 16.3. 2009]
URL 9
Peterson, M.: Between Reality and Abstraction: Non-Temporal Applications of Cartographic Animation. [online] Dostupné z [Cit. dne 7.3. 2009]
URL 11
University of Delaware. [online] Dostupné z [Cit. dne 19.3. 2009]
URL 12
Peterson, M.: Interactive and Animated Cartography. Dostupné z < http://maps.unomaha.edu/books/iacart/book.html> [Cit. dne 12.3. 2009 ]
URL 13
Johnson, I. 1997. Mapping the fourth dimension: the TimeMap project. [online] Dostupné z [Cit. dne 16.3.. 2009]
URL 14
Zhao, F.: Transportation Applications of Temporal GIS. [online] Dostupné z [Cit. dne 16.3. 2009 ]
URL 15
GIS GRASS 6.0. Praktická rukověť začínajících uživatelů. [online] Dostupné z < http://gama.fsv.cvut.cz/data/grasswikicz/grass6_prirucka/grass6_prirucka_0.2.pdf> [Cit. dne 30.3. 2009]
URL 17
Datum vyhlášení národních parků. [online] Dostupné z [Cit. dne 31.3. 2009]
URL 20
Šindler, J.: Základní animační techniky. [online] Dostupné z [Cit. dne 17.3. 2009]
URL 29
Peterson, P. (1994): Spatial Visualization through Cartographic Animation: Theory and Practise. [online] Dostupné z < http://libraries.maine.edu/Spatial/gisweb/spatdb/gis-lis/gi94078.html> [Cit dne 11. 4. 2009]
URL 30
Peterson, P.: Cartographic animation. [online] Dostupné z < http://maps.unomaha.edu/mp/Articles/CartographicAnimation.html> [Cit dne 11. 4. 2009]
URL 31
Dimenze 3. Základy animace, 1. díl. [online] Internetový portál k tématu počítačové animace ve 3D. Dostpuné z [Cit. dne 3. 5. 2009]
Internetové stránky využitých programů URL 10
Kartografie HP. [online] Dostupné z [Cit. dne 6.4. 2009]
URL 16
GRASS GIS. [online stránky produktu] Dostupné z [Cit. dne 31.3. 2009]
URL 18
Photo Modeler. [online stránky produktu] Dostupné z [Cit. dne 31.3. 2009]
URL 19
Adobe Flash. [online stránky produktu] Dostupné např. z < http://www.adobe.com/support/flash/downloads.html> [Cit. dne 31.3. 2009]
URL 20
Peterson, M. Active Legends for Interactive Cartographic Animation. Dostupné z . [Cit. dne 6.4. 2009]
URL 21
Time Map Open Source Consorcium. [online] Dostupné z [Cit. dne 31.3. 2009]
URL 22
AGIS for Windows. [online] Dostupné z [Cit. dne 28.3. 2009]
URL 23
STEMGIS. [online] Dostupné z [Cit. dne 25.3. 2009]
URL 24
Google Earth, Google Earth Pro. [online] Dostupné z [Cit. dne 20.3. 2009]
URL 25
LEOWorks. [online] Dostupné z [Cit. dne 31.3. 2009]
URL 26
SWISH. [online] Dostupné z [Cit. dne 15.3. 2009]
URL 27
MapX. [online] Dostupné z [Cit. dne 25.3. 2009]
URL 28
Google SketchUp. [online] Dostupné z [Cit. dne 29.3. 2009]
Ostatní ArcGIS Desktop Help + nápovědy všech zmiňovaných programů.
