Visualisation 3D dans les SIG ; vers une approche basée sur des standards. Laboratoire d'informatique en Image et Systèmes d'information

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1 1 Visualisation 3D dans les SIG ; vers une approche basée sur des standards Laboratoire d'informatique en Image et Systèmes d'information LIRIS UMR 5205 CNRS/INSA de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/Université Lumière Lyon 2/Ecole Centrale de Lyon Gilles Gesquière [email protected]

2 2 Introduction Donnée 3D géoréférencées de plus en plus utilisée en géomatique Aide à la décision (urbanisme, risque, ) Simulation de phénomènes physiques Aide à l entraînement Sans débroussaillement Avec débroussaillement

3 3 Introduction Interactions multiples de ces données Interface Visu Modèles de simulation Code de calcul Interface avec modèles de simulation Modèle Visualisation

4 4 Quelles données? Introduction Terrain (grille régulière ou non) Bâtiments Trajectoires de mobiles (voiture, avion, ) Eléments ponctuels (arbres, pylônes) Coverages (textures, )

5 5 Introduction Modèles 3D Points Courbes Surfaces Polygonale Volumes Voxels Octrees CSG Polylignes Paramétrique (Bentley) Paramétrique (Poupeau, 2008) Surfaces implicites

6 6 Introduction Ajout de sémantique sur ces données Réseau routier (id route, nombre de voies, ) Mailles et nœuds, et mesures physiques liées (température, ) Organisation des données en couches (layers)

7 7 Introduction Objectifs de cette présentation Visualisation de données issues de la géomatique Flux de données entre clients et serveurs.

8 8 Vers une stratégie client serveur portable station Serveur Smartphone/ tablette Caractéristiques Clients lourds Clients Légers Type de client Desktops, laptops Tablette, smartphone Connexion réseau Connexion internet Connexion mobile Performances du client Performance multimédia importante Faible performances multimédia Besoin côtés serveur Lower server requirements Higher server requirements

9 9 Vers une stratégie client serveur Client Internet Server Display Render Display Element Generator Select / Cache Data Repository Client lourd 3D Database Display Render Display Element Generator Select / Cache Data Repository Client léger

10 10 Vers une stratégie client serveur Exemple de flux (client lourd, cas général) Client 3D Scene 3D Server 4: Initialize Loop [0,n] 5: GetScene 6: 3D Stream 7: import

11 11 Vers une stratégie client serveur Exemple de flux (Ajout d un protocole d accès standardisé) Client 3D Scene 3D Server 1: configure 2: GetCapabilities 3: Meta Data 4: Initialize Loop [0,n] 5: GetScene 6: 3D Stream 7: import

12 12 Rendre les données interopérables Interopérabilité : capacité d un produit / système à fonctionner avec d'autres produits / systèmes Norme / Standard : Indicateur de la façon dont le dialogue entre les divers éléments doit s'opérer Passerelle de communication, qui peut éventuellement s'adapter aux besoins changeants des éléments Instances de normalisation / standardisation Information géographique : ISO TC/ 211, Open Geospatial Consortium (OGC) 3D : Consortium Web3D, BuildingSMART Données CAO : Open Design Alliance Standards dédiés technologies graphiques (calcul, accélération) : Groupe Khronos

13 13 ISO TC 211 : Encodage de l information géospatiale ISO/TS : utilisation d UML pour info géographique ISO : modèle géométrique + topologique, 2D / 3D ISO : modèle temporel ISO : Simple Feature access + Partie 2 (SQL) ISO : modèle harmonisé 2D ou multidimensionnel et spatiotemporel pour l imagerie couverture «coverage» ISO standard OGC GML : format pour données géo 2D et 3D Développement de schémas d'application en réutilisant les composants définis dans les normes abstraites Devys E, Gesquière G, «La modélisation de la ville : Interopérabilité et intégration des données et modèles urbains : standards, normes et tendances», La Revue du CGDD, septembre 2012

14 14 Modélisation urbaine CityGML (OGC CityGML2.0) Modélisation thématique : bâtiments, réseaux de transport, hydrographie, végétation, relief du terrain, occupation des sols (OCS), mobilier urbain, textures Gestion du multi échelle LOD0 : régional, représentation du terrain, réseaux transport LOD1 : ville, bâtiments à toits plats LOD2 : quartier, projets, structures des toits, végétation et mobilier urbain (généralisé) LOD3 : modèle architectural (extérieur) et infrastructures ou objets urbains, végétation et mobilier urbain détaillés LOD4 : modèle architectural (intérieur) (en cohérence avec modèle IFC) Modélisation des données 2D (surfaciques) à 3D (solides) (de type vectoriel) avec possibilité de texturation Références externes: référencement d objets de bases de données externes. Par ex. un bâtiment peut être lié à un objet d une base de données cadastrale Schéma d application GML3

15 IDS pour l environnement Urbain (OGC) 15

16 16 Transfert de données 3D normalisées Transfert normalisé de terrain texturé Transfert de données urbaines Flux standardisé CityGML WVS W3DS Flux non standardisé JSON Objets

17 17 Transfert normalisé de terrain 3D texturé Contexte Environnement client serveur Compatibilité avec les ressources clientes et réseau Gestion de niveaux de détails Synchronisation des différents types de données (MNT, Texture) Possibilité d utiliser des dérivées des formats usuels Geotiff (sans compression + Entête) JPEG2000/ GML JP2 (Couche pour insérer le terrain) Augmentation de la taille de la texture Synchronisation des données compression

18 18 Transfert normalisé de terrain 3D texturé Exemple de flux XML et Jpeg 2000 (protocole d accès standardisé) Client 3D Scene 3D Server 1: configure 2: GetCapabilities 3: Meta Data 4: Initialize Loop [0,n] 5: GetScene 6: Jpeg 2k Stream 7: import

19 19 Transfert normalisé de terrain 3D texturé Insertion de données cachées DWTed plan Cr + DEM DEM Data Hiding Texture Decomposition Y Cr Cb DWT Quantification JPEG 2000 Coding Pipeline Tier 1 and Tier 2 coding Final Embedded JPEG 2000 Image

20 20 Transfert normalisé de terrain 3D texturé Insertion de données cachées (IDC) Extraction en connaissant la méthode d IDC Possibilité De tenir compte du point de vue D utiliser une compression avec ou sans perte Hayat K, Puech W and Gesquière G, «A4S: A Data Hiding Strategy for 3D Visualization», SPIE Journal of Electronic Imaging 2010 Hayat K, Puech W and Gesquière G, «Scalable 3D Terrain Visualization through Reversible JPEG2000 Based Blind Data Hiding», IEEE Transactions on Multimedia, 2008.

21 21 Transfert normalisé de terrain 3D texturé Utilisation de différentes résolutions Lissage de la différence de résolution entre chaque sous bande dans le domaine ondelettes Retour par transformée en ondelettes inverse

22 22 Transfert normalisé de terrain 3D texturé Utilisation de différentes résolutions Composer les sous bandes à l aide d une fonction d interpolation : fusionner différentes résolutions Original Tuiles lissées dans le domaine ondelettes Hayat K, Puech W, Islam N and Gesquière G, «Seamless Heterogeneous Tessellation via DWT Domain Smoothing and Mosaicking», EURASIP Journal of Advances in Signal Processing, 2010

23 23 Echange de données 3D normalisées Transfert normalisé de terrain texturé Transfert de données urbaines Flux standardisé CityGML WVS (dans 3DPIE) W3DS (dans 3DPIE) Flux non standardisé JSON Objets

24 24 Transfert de données urbaines Utilisation de CityGML LOD 1 et LOD 2 Utilisation d autres LOD (basés sur les niveaux d abstractions) sg10 SystemGraph Bâtiment A, Plombier, Français Modèle Batiment Lecture LOD Sémantique LOAs CityGML LODs G. Gröger, T. H. Kolbe, A. Czerwinski and C. Nagel, «City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard», OGC r1, 2008 Glander T., Döllner J., Abstract representations for interactive visualization of virtual 3D city models, 2009 Mignard C., Gesquière G., Nicolle C., SIGA3D: «A Semantic BIM Extension to Represent Urban Environnement», Fifth International Conference on Advances in Semantic Processing, SEMAPRO 2011,

25 25 Transfert de données urbaines Extrait de Zlatanova ()

26 OGC 3D Portrayal Interoperablity experiment stuttgart.de DPIE en quelques mots Une expérience d interopérabilité OGC Tester en conditions quasi réelles des solutions d interopérabilité en amont de leur standardisation Portant sur l intégration, la publication et la visualisation de données 3D urbaines via des services Web Web 3D Service Web View Service Regroupant des fournisseurs de données et des fournisseurs de solutions logicielles 10 partenaires allemands, français et américains sur une durée d environ 8 mois

27 OGC 3D Portrayal Interoperablity experiment stuttgart.de PIE Jeux de données Jeux de données IGN : BATI3D, fournie en CityGML 1.0 Environ 100 km2 en env. 500 dalles de 500*500m2 Environ 80 Go zippé CityGML LOD 2 (Bâtiments, relief, Atlas de textures) Open Street Map Base de données volumineuse, peu structurée, très détaillée, 2D (1,2 milliards de points, 115 millions d arcs) Bâtiments (46 millions dont avec hauteur renseignée et avec type de toits) Taille du fichier planet.osm (250 GB, 16GB compressé) Préparer ces données afin de De les rendre disponibles sur plusieurs serveurs D y accéder à partir de plusieurs clients

28 OGC 3D Portrayal Interoperablity experiment stuttgart.de 28 Services Web W3DS et WVS RENVOIE DES SCÈNES 3D (OBJETS VECTEURS 3D) : KML/COLLADA, X3D RENVOIE DES SCENES 3D PROJETÉES (IMAGES)

29 OGC 3D Portrayal Interoperablity experiment stuttgart.de 29 Exemples de réalisations (1/2) 1/ OSM 3D W3DS dans Google Earth 2/ Bati3D (CityGML) dans Google Earth via le service W3DS d IGG 3/ Fraunhofer s X3DOM City Viewer sur navigateur Web et appareil mobile 1 2 3

30 OGC 3D Portrayal Interoperablity experiment stuttgart.de 30 Exemples de réalisations (2/2) 4/ Service WVS d HPI sur clients Web et mobile 5/ LSIS : CityGML dans client Web 4 5

31 31 Client Transfert de données urbaines Internet Server 3D Database / CityGML Display Render 3D Client in a navigator Flux textuel ou binaire lisible par le navigateur W3DS CityGML JSON Display Element Generator Select / Cache Data Repository Objets (java, ) W3DS or CityGML based files WFS

32 32 Transfert de données urbaines Server Listener on.w3go Internet Client MapContext Get Request Layer 1 Layer n Servlet JSON WebGL Render + Display THREE.js doob/three.js/ Gesquière G.and Manin A., «3D Visualization of Urban Data Based on CityGML with WebGL», International Journal of 3 D Information Modeling, 2012

33 33 4/ Service WVS d HPI sur clients Web et mobile Démonstrations 5/ LSIS : CityGML dans client Web

34 34 Editeur d environnement Aggrégation de données Processus de modification de données Export de données vers des applications dédiées Chambelland JC, Gesquière G, «Complex Virtual Urban Environment Modeling from CityGML Data and OGC web services: Application to the SIMFOR Project», SPIE, San Francisco, 01/2012 Chambelland JC, Raffin R, Desbenoît B and Gesquière G, «SIMFOR: Towards a Collaborative software platform for Urban crisis management», MCSIS CGVCVIP 2011.

35 35 Conclusion Visualisation de données 3D géoréférencées (avec sémantique) Plusieurs phases Préparer les données Intégrer des données multi sources, de natures et de formats différents (CAO, SIG, BIM, imagerie, étude de phénomènes physiques, capteurs, ) Visualiser sur différents types de clients Interopérabilité des données = condition nécessaire pour une meilleure cohabitation entre clients et serveurs. => Utilisation de standards pour l information géographique adaptés à privilégier

36 36 Perspectives La visualisation des données 3D sur un client n est plus le seul objectif Utiliser des médias de très faible capacité tout en tenant compte du débit Besoin de mettre en place des traitements sur les données Obtenir un maillage topologiquement correct (cracks, ) Mise en place d opérateurs (intervisibilité, intersection 3D, Création de LOD,.) Ajout d annotation sur des données 3D,accès à la sémantique liée aux données

37 37 Visualisation 3D dans les SIG ; vers une approche basée sur des standards Laboratoire d'informatique en Image et Systèmes d'information LIRIS UMR 5205 CNRS/INSA de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1/Université Lumière Lyon 2/Ecole Centrale de Lyon Gilles Gesquière [email protected]