GIS工程

GIS 中可视化媒体的描述与表达（龚勋2011070509 地理信息与地图制图）摘要：空间信息可视化中的媒体形式主要包括文本、图形、静态图像、视频图像、声音、动画及可视化图标等7种媒体及其组合, 它们既是空间信息可视化的主要内容, 也是实现空间信息可视化的基本技术和方法。

本文主要讨论前 5 种媒体在空间信息可视化中的描述与表达方法。

一、文本媒体及其表达1.文本媒体及其特性在多媒体信息系统中, 文本是人们最为熟悉,也最为常用的一种空间信息表示方法, 如各种文字介绍、区域环境解说、系统标题、功能菜单、补充说明、地理名称、现象或事物的质量或数量特征标识等都是信息系统的重要内容, 文本媒体是构成多媒体信息系统信息库的主要内容, 如地名数据库、统计数据库等都是文本媒体。

在多媒体信息系统中的文本媒体具有如下几个特性:( 1) 文本是典型的流结构形式, 由具有上下文关系的字符串所组成。

文本仅与字符的结构有关, 而与形式无关。

(2) 对文本进行控制操作不会影响媒体信息本来的表达。

( 3) 文本的处理应遵循文本内部的结构, 如断词、接尾、分段、章节安排等。

( 4) 文本在屏幕上显示的改变, 并不影响文本本身的含义, 如黑色字符串变为红色字符串, 除非想通过这种属性的变化说明某种特殊的信息含义。

2.文本媒体的结构在多媒体信息系统中, 文本媒体的组织结构可按如下方式定义:typedef st ruct Tex t {Char Tex t- Header; /*文本标题Char Tex t- V ersion;/*版本号Char Tex t- Data; /*创作日期Char Tex t- A u tho r;/*著作者Char Tex t- Con ten t;/*文本内容Char Tex t- Type; /*文本类型Long Tex t- Po in t; /*文本指针}其中, 文本标题主要记录文本的名称, 如“海口市概况”等。

文本内容可以是西文、中文, 其中还可嵌入图形、图表、声音等。

文本类型可以是传统文本,也可以是超文本等。

二、图形媒体及其表达1.图形及其基本组成在多媒体系统中使用的图形实际上是用矢量数据表示和存贮的地图图形, 有时也称其为矢量图形。

地图图形是空间点集在二维平面上的投影,它们可以被分解为点、线、面三种基本图形元素,每一种图形元素又包括几何位置及其属性特征。

在计算机中可用如下方式进行描述和组织:点: 用一对X , Y 坐标表示, 即(X , Y ) ;线: 用一串有序的X , Y 坐标对表示, 即{ (X 1, Y 1) , (X 2, Y 2) , ⋯, (X n , Y n) };面: 用一串有序的, 而且首尾坐标相同的X , Y 坐标对表示其轮廓范围, 即{ (X 1, Y 1 ) , (X2, Y 2) , ⋯, (X n , Y n) , (X 1, Y 1) }。

2.图形媒体的特性( 1) 图形是对图像进行抽象的结果。

这种抽象过程可以由人工完成, 如采用扫描数字化输入;也可由计算机自动完成, 如栅格图像—矢量图形的转换。

(2) 图形的矢量化使其能够对图形中的各个部分分别进行操作和控制。

因为矢量化图形中的各个部分可以用数学方法加以描述, 这就使得数字制图系统可以对其进行任意的变换、放大、缩小、旋转、变形、移位、叠加等, 而且仍将保持图形原有的特性, 这一特点很重要, 因为在多媒体信息系统中, 经常需要对局部区域进行放大等特殊操作。

( 3) 由于矢量化图形的基本组成部分是点、线、面图元, 而且它们可以进行单独定义、控制和操作, 因而可以方便地将这些基本图元定义为超媒体中的热区、媒体对象、图元等类型的链源, 从而可以方便地查阅点、线、面图元的多媒体信息及与之相关的时空属性信息。

3.图形媒体的描述与表达空间信息可视化中的图形媒体可按如下方法来描述:Typedef st ruct Graph ics {Char Graph ics- Type;/*图形类型Char Graph ics- Po in t;/*图形指针F loat X , Y; /*图形坐标集合Vo id T ran slate () ; /*图形数据转换Vo id Ro tate () ; /*图形旋转Vo id Scaling () ; /*图形比例缩放Vo id D isp lay () ; /*图形显示Vo id Simu ltaneou s ( image, tex t, video, sound) ; /*协同表现}三、静态图像媒体及其表达1.静态图像及其类型静态图像是多媒体系统中的一种可视元素,也是表征空间环境现象的一种重要媒体。

多媒体系统中的静态图像主要包括卫片、航片、照片和某些栅格图形等。

卫片和航片主要用于表示某一区域的地理环境现象或要素的空间分布状况, 在多媒体信息系统中, 卫片和航片主要作为背景给予显示。

通常卫片和航片包含的区域较大, 数据量也很大, 而且都必须经过一系列复杂的处理才能使用, 因此本文不准备作进一步的讨论。

这里我们主要讨论照片和栅格图像采集、处理等有关的问题。

在多媒体系统中所使用的照片和栅格图像通常都用“位图”(B itmap ) 来存贮和生成。

位图是一个用来描述构成一个图像的所有像元及其特征的信息矩阵。

位图图像又包括单色和彩色两种类型。

单色(即仅有黑、白两种颜色) 位图可用一维矩阵(即一位的位图) 来表示, 而彩色位图则必须用多位信息来表示。

如4位位图可以表示16种颜色, 8位可以表示256种颜色等等。

2.图像媒体的描述与表达可视化信息系统中的图像媒体可用如下方式给予描述:Typedef Image {Char image- header; /*图像标题Sho rt L ength,W idth; /*图像长度和宽度In t Dep th; /*图像深度P IC- FRAM Data [ 1024 ] [ 768 ] /*图像大小Image (char3 f ilename, char3 type=“”) ;Vo id disp lay () ;Vo id t ran slate () ;Vo id ro tate () ;Vo id scaling () ;Vo id simu ltaneou s () ;}四、视频图像及其数据处理与表达视频图像是多媒体系统中一种非常重要的动态视觉媒体, 它能够以生动、真实的形式再现某一区域或某一现象的实地状况, 从而增强了空间环境信息表示的动态感和真实感。

1.数字视频处理的基本原理在多媒体系统中所使用的视频媒体信息主要来源于摄像机、录像机和视频光盘等, 它们的输出都采用标准的彩色电视信号, 而且都是模拟视频信号。

为了把这种模拟信号变成计算机能够识别、处理的数字视频信号, 必须进行如下处理:(1)隔离放大处理R、G、B 彩色电视信号首先被送到隔离放大器进行视频信号的隔离放大处理。

(2) RGB /YUV 线性变换经隔离放大处理的视频信号被送到RGB /YUV 转换器, Y 是亮度信号,U、V 是色差信号, RGB 转换为YUV 有两方面的意义, 其一, 彩色亮度信号Y 与黑白电视机的亮度信号兼容, 这就使得黑白电视机也可接受彩色电视信号; 其二, 人眼对亮度信号比较敏感, 对色差信号不敏感, 这表明U、V 的数据量可以降低, 如目前常用的Y、U、V是4÷2÷2或4÷1÷1的格式, 这样就可通过压缩彩色电视的传送宽度, 来实现视频图像数据的压缩及传输。

根据色度空间的转换原理, R、G、B 与Y、U、V 之间的转换采用式(1)。

(2) A /D 变换经过上述RGB /YUV 变换后得到的Y、U、V信号被传送到A /D 变换器进行模拟信号到数字信号的转换处理, 变成计算机可识别、处理、演播的视频图像。

2.视频图像的处理流程在多媒体系统中, 视频图像媒体从采集、处理到演播的基本过程包括: ①经实地摄像、录像或视频光盘获取信息资料; ②对视频信息资料进行模拟R、G、B 或Y、U、V 信号的分解; ③对模拟的R、G、B 或Y、U、V 信号进行A /D 变换, 将其变为数字的R、G、B 信号, 并存入帧存贮器; ④计算机对数字视频的R、G、B 信号进行处理(如压缩编码等) 和传输; ⑤帧存贮器中的数字视频信号R、G、B 或Y、U、V 经过D öA 变换处理, 将其变为模拟的R、G、B 或Y、U、V 信号, 再经编码器重新合成视频图像信号, 并输出到显示器上。

3.视频图像的描述可视化中的视频图像可按如下方式描述:Typedef V ideo { In t Samp le- f req; /*采样频率In t Q uan t it ive; /*采样质量CharV ideo- Type; /*视频类型CharV ideo- Header; /*视频标题CharV ideo- In t ro; /*视频内容介绍Vo id P lay () ;Vo id Simu ltaneou s (Sound, Graph, Tex t) ;}五、数字音频媒体及其数据声音是多媒体系统中不可缺少的内容和组成部分。

多媒体系统中的声音主要包括视频图像的背景音乐和文字介绍录音等两种, 它们都属于数字音频媒体, 是多媒体系统中媒体数据处理的重要内容。

1.数字音频处理的基本原理数字音频处理的主要内容包括: 声音预处理和模数转换, 其基本过程是: 音频采集设备将接收到的声音信号送至隔离放大器进行放大, 再经衰减器和低通滤波器处理后送模数转换器处理, 获得数字音频信号, 最后经并ö串行转换变为串行数据后送用户使用。

其基本原理和方法如下:( 1) 隔离放大器和衰减器。

音频信号采集设备将接收到的左右声道音频信号传送给隔离放大器, 完成声音信号的隔离放大。

经隔离放大的声音信号被送至衰减器, 衰减器通过设置衰减系数完成对不同强度的声音信号的处理。

( 2) 低通滤波器。

根据对声音质量的要求和音频采样原理, 为了防止高、低频信号的相互混叠, 在模数转换之前, 可以通过设置不同的低通截止频率对声音信号进行滤波处理。

模/数转换。

模数转换是将模拟声音信号转换为数字音频信号的关键技术。

它是通过对声音信号进行抽样量化而实现的。

这里, 抽样比特数是一个重要的参数, 它直接影响到数字化声音的质量, 即抽样比特数越高, 声音质量越好, 相应地,数据量也要增大。

(3)并/串转换器。

经模数转换后的数字音频信号再经并/串转换器处理, 将并行的数字声音数据转换为串行数据, 最后提交用户使用。

2.音频信号的数字化处理在多媒体数据处理中, 来自于麦克风、磁带录音、无线电、CD 光盘等声源的声音实际上都是模拟声音, 为了让计算机能够对其进行操作处理, 必须将模拟声音转换为数字化的声音, 这一过程称为音频信号的数字化处理, 它是声音媒体处理的关键技术。