Geo-wypaczenie radaru
Geo-warping radarowy polega na dostosowaniu obrazów radarowych i danych wideo z odniesieniami geograficznymi do spójności z projekcją geograficzną . To zniekształcenie obrazu pozwala uniknąć jakichkolwiek ograniczeń podczas wyświetlania go razem z wideo z wielu źródeł radarowych lub z innymi danymi geograficznymi, w tym zeskanowanymi mapami i zdjęciami satelitarnymi , które mogą być dostarczone w danej projekcji. Istnieje wiele obszarów, w których wypaczanie geograficzne ma wyjątkowe zalety:
- Pojedynczy radarowy sygnał wideo wyświetlany razem z mapami o różnych projekcjach geograficznych. Np
- Jednocześnie wyświetlanych jest wiele sygnałów wideo radaru:
- Posiadanie mocy obliczeniowej umożliwiającej wykonanie tego na jednym komputerze.
- Dostosowanie projekcji wszystkich sygnałów radarowych, umożliwiające poprawne geograficznie wyświetlanie i dokładne nakładanie tych filmów.
- Korekta zasięgu nachylenia : nowoczesny system radarowy 3D może mierzyć wysokość celu, dzięki czemu możliwa jest korekta obrazu radarowego na podstawie rzeczywistego skorygowanego zasięgu celu. Korekcja zasięgu nachylenia pozwala również na kompensację wysokości wieży radarowej, np. w przypadku radarów nadzoru morskiego.
Wstęp
Wideo radarowe przedstawia echa fal elektromagnetycznych wyemitowanych przez system radarowy i otrzymanych później w postaci odbić. Te echa są zazwyczaj prezentowane na ekranie komputera za pomocą schematu kodowania kolorami przedstawiającego siłę odbicia. Podczas takiego procesu wizualizacji należy rozwiązać dwa problemy. Pierwszy problem wynika z faktu, że zazwyczaj antena radaru obraca się wokół swojego położenia i mierzy odległość echa odbicia od swojego położenia w jednym kierunku. Oznacza to w praktyce, że dane wideo radaru są obecne we współrzędnych biegunowych . W starszych systemach obraz w orientacji biegunowej był wyświetlany w tzw wskaźniki pozycji planu (PPI). Luneta PPI wykorzystuje promieniowe przesunięcie, obracając się wokół środka prezentacji. W efekcie otrzymujemy przypominający mapę obraz obszaru objętego wiązką radaru. ekran o długim czasie trwania, dzięki czemu wyświetlacz pozostaje widoczny do momentu ponownego przejścia cyklu.
Namiar na cel jest wskazywany przez położenie kątowe celu w stosunku do wyimaginowanej linii rozciągającej się pionowo od początku przeciągnięcia do górnej części lunety. Górna część zakresu wskazuje północ rzeczywistą (kiedy wskaźnik działa w trybie namiaru rzeczywistego) lub kurs statku (kiedy wskaźnik działa w trybie namiaru względnego).
Aby uzyskać wizualizację na nowoczesnym ekranie komputera, współrzędne biegunowe należy przekonwertować na współrzędne kartezjańskie . Proces ten, zwany konwersją skanu radarowego, przedstawiono bardziej szczegółowo w następnej sekcji. Drugi problem do rozwiązania wynika z faktu, że system radarowy jest umieszczony w świecie rzeczywistym i mierzy pozycje echa w świecie rzeczywistym. Echa te muszą być wyświetlane w spójny sposób wraz z innymi danymi ze świata rzeczywistego, takimi jak pozycje obiektów, mapy wektorowe i zdjęcia satelitarne. Wszystkie te informacje odnoszą się do zakrzywionej powierzchni ziemi, ale są wyświetlane na płaskim ekranie komputera. Tworzenie połączenia z pozycji Ziemi w świecie rzeczywistym w celu wyświetlania pikseli jest powszechnie nazywane odniesieniem geograficznym lub w skrócie georeferencją.
Częścią procesu georeferencji jest odwzorowanie trójwymiarowej powierzchni Ziemi na wyświetlaczu 2D. Ten proces projekcji geograficznej można przeprowadzić na wiele sposobów, ale różne źródła danych mają swoją własną „naturalną” projekcję. Np. dane wideo radaru kartezjańskiego ze źródła radarowego na powierzchni ziemi są odnoszone geograficznie za pomocą tak zwanej projekcji radarowej. Podczas korzystania z tej projekcji radarowej, piksele wideo radaru kartezjańskiego mogą być bezpośrednio wyświetlane na ekranie komputera (przekształcane jedynie liniowo w zależności od aktualnej pozycji na ekranie i np. bieżącego poziomu powiększenia). Problem pojawia się teraz, gdy np. razem z radarowymi danymi wideo ma być pokazywana także mapa satelitarna. „Naturalna” projekcja geograficzna zdjęcia satelitarnego byłaby projekcją satelitarną zależną od orbity satelity, jego położenia i innych parametrów. Teraz albo obraz satelitarny musi zostać ponownie odwzorowany na projekcję radarową, albo wideo radarowe musi skorzystać z projekcji satelitarnej. Ta reprojekcja geograficzna jest również nazywana wypaczenie geograficzne lub zniekształcenie geograficzne , w którym każdy piksel obrazu musi zostać przekształcony z jednej projekcji na drugą. W tym artykule opisano bardziej szczegółowo zniekształcanie geograficzne obrazów wideo radaru w czasie rzeczywistym. Pokaże również, że geowarping obrazu radarowego jest wykonywany najskuteczniej, gdy jest zintegrowany z procesem konwersji skanu radarowego.
Konwersja skanu radarowego
W tej sekcji opisano zasady procesu konwersji skanu radarowego (RSC).
Radar dostarcza zmierzone dane we współrzędnych biegunowych (ρ, θ) bezpośrednio z obracającej się anteny. ρ określa odległość celu/echa, a θ kąt celu we współrzędnych świata polarnego. Dane te są mierzone, digitalizowane i przechowywane w magazynie biegunowym współrzędnych lub polarnej pixmapie . Głównym zadaniem RSC jest konwersja tych danych na współrzędne wyświetlania kartezjańskiego (x, y), tworząc niezbędne piksele wyświetlacza. Na proces RSC mają wpływ aktualne ustawienia powiększenia, przesunięcia i obrotu, określające, która część „świata” będzie widoczna na wyświetlanym obrazie. Jak szczegółowo opisano w dalszej części, proces RSC uwzględnia również aktualnie używaną projekcję geograficzną, gdy obrazy wideo radaru podlegają zniekształceniu geograficznemu.
OpenGL RSC jest zaimplementowany przy użyciu metody konwersji skanowania odwrotnego, która oblicza dla każdego piksela obrazu najbardziej odpowiednią wartość amplitudy radaru w składnicy polarnej. Takie podejście generuje optymalny obraz bez żadnych artefaktów znanych z wypełniania szprych do przodu . Stosując filtrowanie dwuliniowe pomiędzy sąsiednimi pikselami w magazynie polarnym podczas procesu konwersji, OpenGL RSC w końcu osiąga obraz radarowy o bardzo wysokiej jakości wizualnej na każdym poziomie powiększenia, tworząc płynne obrazy ech radaru.
Projekcja radarowa
W tej sekcji przedstawiono sposób, w jaki dane wideo radaru są odnoszone do lokalizacji geograficznej i wyświetlane na ekranie komputera.
Czujnik radarowy jest umieszczony na powierzchni ziemi na wysokości h nad poziomem gruntu. Mierzy bezpośrednią odległość d do celu (a nie np. odległość, jaką cel znajduje się od radaru, gdyby poruszał się on po powierzchni ziemi). Odległość ta jest następnie wykorzystywana w płaszczyźnie wyświetlania po dostosowaniu do bieżącego poziomu powiększenia wyświetlacza przez konwerter skanu radarowego (RSC). Teraz należy wyjaśnić, w jaki sposób dane wideo radaru są odnoszone geograficznie. Zasadniczo oznacza to, że jeśli chcemy wyświetlić obiekt geograficzny ze świata rzeczywistego (jak np. latarnię morską), który znajduje się w tej samej pozycji w świecie rzeczywistym, co cel radarowy, powinien on również pojawić się w tej samej pozycji na płaszczyźnie wyświetlania. Odbywa się to poprzez obliczenie odległości od czujnika radarowego do odpowiedniego obiektu świata rzeczywistego i wykorzystanie tej odległości na płaszczyźnie wyświetlania. Zwykle podaje się położenie obiektu świata rzeczywistego współrzędne geograficzne (szerokość, długość i wysokość nad powierzchnią ziemi). Innymi słowy, wykorzystanie projekcji radarowej z danymi geograficznymi odbywa się poprzez symulację procesu pomiarów radarowych z obiektami ze świata rzeczywistego i wykorzystanie powstałego zasięgu i azymutu na płaszczyźnie wyświetlania.
Drugie zdjęcie po prawej stronie przedstawia przykładową projekcję radarową ze środkiem projekcji (COP) na szerokości 50,0° i długości geograficznej 0,0°, co jest również pozycją radaru. Linie przerywane to linie o jednakowej szerokości i tej samej długości geograficznej na górze mapy tła. Linie ciągłe pokazują równy zasięg i równy azymut w odniesieniu do pozycji radaru. Cechą projekcji radarowej jest to, że linie o jednakowym zasięgu są okręgami, a linie o jednakowym azymucie są liniami prostymi. Jest to konieczne, aby wyświetlać obraz radarowy spójnie z innymi danymi mapy w przypadku korzystania z projekcji radarowej, gdzie środkiem projekcji musi być pozycja radaru.
Proces wypaczania geograficznego
W tej sekcji wyjaśniono rzeczywisty proces zniekształcania geograficznego lub ponownej projekcji po zastosowaniu do obrazu radarowego w czasie rzeczywistym. Załóżmy, że chcemy wyświetlić obraz radarowy na zdjęciu satelitarnym. Jako przykład posłużyliśmy się projekcją CIB, która służy do wyświetlania danych satelitarnych w formacie CIB (Controlled Image Base) .
Rysunek Geo Warping Radar do projekcji CIB pokazuje przerywane koło maksymalnego zasięgu dla zasięgu 111 km lub 60 mil przy użyciu projekcji radarowej. Taki zasięg jest typowy dla radarów obserwacji wybrzeża dalekiego zasięgu. Jak stwierdzono w ostatniej sekcji, jest to idealne koło również na ekranie komputera. Elipsa linii ciągłej przedstawia ten sam okrąg zasięgu dla projekcji CIB.
Zwykle błędy występujące bez wypaczenia geograficznego są najmniejsze w pobliżu pozycji radaru, jeśli przynajmniej środek projekcji (COP) pokrywa się z pozycją radaru, jak pokazano w naszym przykładzie. W przeciwnym razie rozkład błędów zależy zarówno od zastosowanej projekcji, jak i od parametrów projekcji. Zatem w naszym przypadku błędy są największe w okolicach maksymalnego zasięgu radaru. Błąd projekcji CIB skorygowany w kierunku wschód-zachód w połowie zasięgu radaru wynosi 2,6 km i 5,3 km przy pełnym zasięgu radaru wynoszącym 111 km. Błąd wynoszący 5,3 km jest dość znaczny w porównaniu z typową rozdzielczością pomiaru radaru radialnego wynoszącą 15 m.
Ponowna projekcja współrzędnych wyjaśnia, w jaki sposób współrzędne radaru muszą zostać przekształcone, aby odpowiadały współrzędnym projekcji CIB. Współrzędne świata radarowego odpowiadają kartezjańskiej wersji danych zmierzonych przez czujnik radarowy. Za pomocą odwrotnej projekcji radarowej współrzędne te są przekształcane na współrzędne geograficzne, które reprezentują pozycje danych radarowych na powierzchni ziemi. Współrzędne te są następnie ostatecznie rzutowane przez projekcję CIB (lub dowolną inną) w celu wyświetlenia na ekranie komputera.
Pojawia się problem polegający na tym, że zniekształcanie geograficzne wszystkich zmierzonych pikseli wideo radaru pochłania zbyt dużo zasobów obliczeniowych, aby można je było wykonać w czasie rzeczywistym. Możliwym rozwiązaniem jest użycie tabel przeglądowych dla wszystkich punktów na ekranie, ale ponowne obliczenie tabeli przeglądowej po np. operacji powiększenia wyświetlacza nadal powoduje zauważalne opóźnienie wizualizacji wideo radaru.
Siatka wypaczająca Rysunek Geo przedstawia rozwiązanie problemu. Okrągły obszar zasięgu radaru jest podzielony na okrągłą siatkę. Tylko punkty narożne siatki są zniekształcone geograficznie, co drastycznie skraca czas obliczeń. Współrzędne w obrębie kafelka siatki są obliczane poprzez ważoną dwuliniową interpolację punktów narożnych siatki. Ponieważ projekcje geograficzne są zazwyczaj funkcjami nieliniowymi, wprowadza to pewien błąd w przypadku pozycji wyświetlanego obrazu wideo radaru. Utrzymanie tego błędu wystarczająco poniżej rozdzielczości pomiaru radaru gwarantuje, że nie będzie to stanowić ograniczenia dla jakości wyświetlania obrazu wideo radaru. Rozmiar płytki siatki należy obliczyć raz dla pozycji radaru i danej projekcji. Zatem siatkę oblicza się zazwyczaj raz dla radaru statycznego i tylko częściej dla radarów ruchomych, np. na statkach.
Konwerter skanowania radarowego OpenGL wykonuje obliczenia konwersji skanowania na procesorze graficznym , aby osiągnąć wysoką wydajność i jakość obrazu. Wspomniana powyżej dwuliniowa interpolacja współrzędnych jest wykonywana na dedykowanym sprzęcie na GPU i dlatego nie powoduje narzutu dla konwertera skanowania.
Przykład
Ten przykład pokazuje, jak zniekształcenie geograficzne pomaga w spójnym wyświetlaniu wielu filmów radarowych.
Ten rysunek przedstawia efekty wizualne po prawej stronie bez zniekształcenia geograficznego, polegające na tym, że cele widziane przez dwa radary nie mogą być poprawnie wyświetlane i nie jest jasne, gdzie faktycznie znajduje się cel. Czerwone i żółte echa celu są widoczne na radarach oddalonych o około 50 km. Radary są również oddalone od siebie o około 50 km. Półprzezroczysty różowy kolor przedstawia historię toru.
W tym scenariuszu wykorzystuje się nawet projekcję radarową, ale oczywiście środek projekcji radarowej (COP) może znajdować się tylko w miejscu jednego z radarów. Jeszcze większe niespójności mogą wystąpić, jeśli zostanie zastosowana projekcja inna niż projekcja radarowa. Widok zniekształcony geograficznie po lewej stronie pokazuje stale wyświetlane echa radarowe, przy czym oba echa radarowe znajdują się dokładnie w pozycji rzeczywistego celu.