Simülasyon Modellerinin Doğruluğu Üzerine Bir Araştırma

Abstract

Zaman ve maliyette sağladığı tasarrufların yanısıra, gerçek hayatta riskli olabilecek operasyonları kolaylıkla gerçekleştirilebilme avantajları, gerçekçi eğitim simülatörlerininin ülkemizde ve dünyada hızla yaygınlaşmasını sağlamıştır. Bu simülatörlerde kullanılan 3 boyutlu (3B) sanal ortamın, eğitime katılacak öğrencinin gerçek hayatta uygulama yapacağı mekanı yansıtması operasyon yada eğitimin verimliliğini arttırdığından, simülatörler askeri ve kamusal amaçlı projelerde giderek daha çok önemsenmiş hatta eğitimlerin vazgeçilmez bir unsuru olmaya başlamıştır. Bu 3B senaryo ortamlarının, simülatör kullanıcısının yani eğitimi alacak öğrencinin gözünde gerçekçi bir etki yaratması kulanılan grafik yazılım ve donanımlarının yanında, materyal kalitesi, ortam şartları ve model geometrileri gibi birçok konunun birlikte nasıl işlendiğine bağlıdır. Simülasyon ortamında yerini alacak tüm mekan öğeleri ayrı ayrı modellenir ve birbirlerine entegre edilerek eğitimin gerçekleşeceği 3B simülasyon sahnesini oluşturur. Bu sahne kullanıcının görüş alanına belli bir perspektiften projekte edilerek yansıtılır. Öğrenci gördüğü bu 3B sanal ortamla etkileşim içinde olarak operasyonu yada eğitimi gerçekleştirir. Simülatör aracılığı ile eğitimi alacak öğrencinin bu sanal ortamı gerçekçi bir biçimde algılamasını sağlamak için grafik kalitesinin önemini gözetmenin yanında, izlenecek iki temel yol vardır: birincisi modellerin geometrik olarak gerçeğini en yakın şekilde temsil etmesi, ikincisi sahnenin doğru projeksiyon yöntemi ile görüş alanına yansıtılmasıdır. Simülasyon sahnelerini oluşturan 3B modeller her zaman sanal mekan tasarımlarından ibaret olmaz. Dünya üzerinde yer alan gerçek mekanlar da senaryoların parçası olabilir. Gerçekte var olan böyle bir arazi üzerinde eğitim senaryosunu gerçekleştirecek helikopter gibi bir hava aracı, yada tank, tramway gibi bir kara aracı simülatörü yapmak istediğimizde, uzaktan algılama, coğrafi bilgi sistemleri, ölçme, jeodezi, mekansal analiz ve fotogrametri gibi Geomatik Mühendisliği disiplinin içerisinde yer alan uzmanlık alanlarına ait bilgi ve deneyimlerin uygulanması gerektiğini görürüz. Bu nedenle eğitim simülatörlerinde kullanılan bu 3B sahneler grafik bilgisinin yanında, Geomatik Mühendisliği bilgisinin birlikte harmanlandığı çıktı ürünler diyebiliriz. Bir çok mühendislik disiplininin dahil olduğu bir çalışma gerektirmesi nedeniyle, bu tezin ilk bölümünde öncelikle 3B simülasyon sahnelerindeki içeriklerin ve obje modellerinin nasıl yaratıldığına dair adımlar ve izlenenen yollar anlatılmış, dikkat edilmesi gereken teknik detaylar verilmiştir. Böylece bu konuya ilgi duyan ancak uygulamasında yer alamayan kişilerin bilgi sahibi olması amaçlanmıştır. Çalışmanın devam eden kısmı analizlere ayrılmıştır. Bu kısımda simülasyon dünyasında yaygın olarak kullanılan Presagis firmasının "Terravista" yazılımı ile 3B olarak modellenmiş gerçekçi bir arazi modeli incelenmiştir. 3 farklı detay seviyesinde hazırlanmış bu arazi modelinin her bir detay seviyesi için geometrik açıdan düşey yönde doğruluk analizi yapılmış ve kaynak olarak kullanılan sayısal arazi modeli referans alınarak, bu detay seviyelerinde modelin karesel ortalama hataları hesaplanmıştır. Ortaya çıkan hataların nelerle ilişkili olabileceği sonuç kısmında yorumlanmıştır. Bu doğruluk hesabının yanında, ikinci bir analiz olarak, simülatörde kullanılan 3B sahnelerin gerçeklik algısının nasıl verildiği incelenmiştir. Grafik yazılımlarının "Perspektif Projeksiyon" yöntemi ve denklemleri ile 3B sahne modellerini kullanıcı ekranına nasıl yansıttığı ele alınmış ve bir örnek model üzerinden dönüşüm denklemleri incelenmiştir. Özetle, bu iki analizle 3B simülasyon modellerinde "doğruluğu" ve "gerçeklik algısını" etkileyen unsurlar incelenmiş, simülasyon sahnelerinin yaratılma süreçleriyle ilgili bilgilendirme amaçlanmış ve beklentiler ortaya konmuştur. Çalışma içerisinde Geomatik Mühendisliğinin ürettiği bilgilerin simülasyon sahnelerine nasıl ugulandığına dair bilgiler sunulmuştur.

Nowadays realistic educational simulations are becoming widespread in our country and in the world because of the time and costs savings as well as provided advantages for specific operations, which could be dangerous in real life situations. A three-dimensional (3D) virtual environment in simulation reflects a real place, in which the trainee practices, thereby the success of the training and the corresponding operation improves. Simulators are getting more important, even indispensable in military and governmental funded projects. Training scenarios in 3D realistic environments do not only improve the effectivity of the training but also prove itself as a necessity. The realistic impact of the three-dimensional virtual environments in simulations for the simulation user, namely the trainee, depends on the combination of many factors like graphical software and hardware equipment. Other than that, aspects like geometry and material/texture quality of the 3D models, simulation environment conditions and how these effects are combined, have also a significant influence on the perception of the simulation user. All locational objects, which should exist in the simulation environment, are modeled separately and integrated into each other to create a three-dimensional simulation scene. This scene projected to user's view through a certain perspective. The trainee executes the training/operation through this view in interaction with the virtual environment. Aside from the importance of the graphics quality, there are mainly two methods to improve the sense of reality for the trainee: creating the models as accurate as possible compared to real objects and using the correct method to project the scene to the user's view. It is possible to use artificial –meaning not representing a real place on earth- terrain models in the simulation scene. Terrain models can be designed to satisfy the basic requirements of the simulation scenario using standard 3D modeling software tools and adding necessary environment objects afterward. As a result, models with a low geometrical quality and low accuracy but fulfilling the basic requirements can be produced. Such scenes can be created easily, fast and low-cost; however, the deficiencies should be tolerated. 3D terrain models, which are generated for the simulation scene, are not always artificial environment designs. Existing places on earth are sometimes a part of the simulation environment. A popular application field is i.e. the military purpose simulations. Standard data handling, modeling methods, and tools are usually insufficient for such applications. If the simulator should be created for an educational scenario, in which an aircraft like a helicopter or a land vehicle like a tank or a tram is used on a real location, disciplines inside geomatics engineering like surveying, geodesy, remote sensing, geographical information systems (GIS) or photogrammetry should be applied. In this context, the 3D scenes, which are used in educational simulators, are not only the products of graphical information but also a combination of geomatics engineering fields. Remote sensing and GIS disciplines for realistic 3D modeling of the terrains and photogrammetry for projecting the modeled objects into the screen have an important role for this kind of simulation scenarios. Satellite images and digital terrain models (DTM) are used to create geometrical and morphological accurate terrain models. DTM provide the surface elevation information, which is necessary for horizontal and vertical profile skeleton. Satellite images cover the surface of the 3D terrain models. DTMs, which contain the sufficient elevation information for simulation projects, can be obtained. 3D terrain models are resulting from the combination of these two data types with triangulation and projection. The level of geometrical fidelity to the reality depends not only on the resolution of the data but also on the triangulation. It is important that the terrain model converges to the real elevations as the high accuracy provides advantages in most situations. For example, a simulator for a terrestrial vehicle runs on a road, which lies on such kind of terrain model. The vehicle behavior is affected rapidly from the slopes and ramps of the ground. Another example might be a training simulator for an aircraft. It is required to observe the topology of the terrain and a simulation scenario might demand to hit targets on certain positions. Artificial terrain models cannot fulfill these requirements and a realistic environment with high accuracy is expected. Geomatics engineering is not only interested in modeling the terrains, but also objects like buildings, roads, trees, etc. which should be added into the simulation scene; because the positioning of the entities for a settlement in a realistic way is possible by using maps like "base maps (city maps)" However, it is not possible to transmit the objects directly from two-dimensional vector form into the third dimension in this kind of maps; obtained data should be edited and classified preliminary for this purpose. 3D box models, which represents the final models (used as references), should be prepared before the realistic modeling and placed into their positions in the scene. GIS, remote sensing methods, and software tools are utilized for realizing these steps. During the process of projecting the 3D models into 2D screens, transformations alike in the photogrammetry discipline are applied. Models are scaled in a certain measure and translated to be reflected in the user view. Transformation matrices are used to transfer the 3D models in the graphics software from object coordinates of the model into the screen coordinates. As a result of researches, it is concluded that the perspective projection is a suitable method to realize this transformations; and some application examples are provided in the corresponding part of this work. In short, 3D scenes in simulations can be mentioned as products of software/hardware knowledge together with the geomatics engineering discipline. As a synergy between different engineering disciplines are needed for this thesis, the steps and ways to produce the context and the object models for 3D simulation scenes as well as technical details to be aware of, are explained in the first chapter; so that the persons who are interested in the context but not taken part in the application can have foreknowledge. Further sections deal with the analysis. A 3D realistic terrain model, which was created with the "Terra Vista" software from company Presagis, has been examined. This software is used widely in terrain modeling applications for simulations. An accuracy analysis in the horizontal position has been done for a terrain model in three different level of details in each of detail levels. "Root Mean Square Error (RMSE)" has been calculated in comparison with the numeric height model source for these detail levels. Possible reasons for the errors are discussed as a result of the analysis. How the realistic feeling of the 3D scenes, which are used in simulators, occurs; have been also examined as a second analysis. "Perspective Projection" method and equations have been clarified to explain how the graphics software projects the 3D scene models into the screen, and an example is also provided to exemplify transformation equations. In a nutshell, two main factors, which influence the fidelity and the sense of reality in simulations, have been investigated, information about the creation processes of simulation scenes have been provided and requirements are defined. The aspects of remote sensing, geographical information systems and photogrammetry applied in simulation scenes are presented combined in a synergetic form inside the work.