Geo deformace - Geo warping
 | tento článek ne uvést žádný Zdroje. (Únor 2016) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
Geo deformace je úprava geografického odkazu radar data videa, aby byla konzistentní s geografickým projekce. Tento deformace obrazu vyhne se jakýmkoli omezením při jeho zobrazování společně s videem z více radar - zdroje nebo s jinými geografickými údaji, včetně naskenovaných map a satelitní snímky které mohou být poskytnuty v konkrétní projekci. Existuje mnoho oblastí, kde má geo warping jedinečné výhody:
- Zobrazuje se jeden radarový videosignál spolu s mapami různých geografických projekcí. Např.
- Více radarových video signálů zobrazených současně:
- Mít výpočetní výkon na jednom počítači.
- Přizpůsobení projekce všech radarových signálů umožňující geograficky správné zobrazení a přesnou superpozici těchto videí.
- Šikmý rozsah korekce: moderní 3D radarový systém může měřit výšku cíle, a proto je možné radarové video korigovat podle skutečného korigovaného rozsahu cíle. Slant Range Correction také umožňuje kompenzovat výšku radarové věže např. pro radary pro námořní dohled.
Úvod
Radarové video představuje ozvěny elektromagnetických vln, které radarový systém vyzařuje a následně přijímá jako odrazy. Tyto ozvěny se obvykle zobrazují na obrazovce počítače s barevným kódováním znázorňujícím sílu odrazu. Během takového procesu vizualizace je třeba vyřešit dva problémy. První problém vyvstává ze skutečnosti, že se radarová anténa obvykle otáčí kolem své polohy a měří vzdálenosti odrazové ozvěny od její polohy v jednom směru. To účinně znamená, že radarová video data jsou přítomna v polární souřadnice. Ve starších systémech byl polárně orientovaný obraz zobrazen v tzv ukazatele polohy plánu (PPI). Rozsah PPI používá radiální zatáčku otočnou kolem středu prezentace. Výsledkem je mapový obraz oblasti pokryté radarovým paprskem. A dlouhá vytrvalost obrazovka se používá tak, aby displej zůstal viditelný, dokud znovu neproběhne zametání.
Směr k cíli je indikován úhlovou polohou cíle ve vztahu k imaginární čáře táhnoucí se svisle od počátku tažení k horní části rozsahu. Horní část rozsahu je buď skutečný sever (když je indikátor provozován v režimu skutečného ložiska), nebo kurz lodi (když je indikátor provozován v režimu relativního ložiska).
Pro vizualizaci na moderní obrazovce počítače polární souřadnice musí být převedeny na Kartézský souřadnice. Tento proces zvaný převod radarového skenování je podrobněji popsán v následující části. Druhý problém, který je třeba vyřešit, vyplývá ze skutečnosti, že radarový systém je umístěn v reálném světě a měří polohy ozvěny v reálném světě. Tyto ozvěny je třeba konzistentně zobrazovat společně s dalšími daty v reálném světě, jako jsou polohy objektů, vektorové mapy a satelitní snímky. Všechny tyto informace se vztahují k zakřivenému zemskému povrchu, ale jsou zobrazeny na plochém displeji počítače. Vytváření vazeb z pozic Země v reálném světě k zobrazení pixelů se běžně nazývá geografické odkazování nebo v krátkých georeferencích.
Součástí procesu geo-referencování je mapování 3D zemského povrchu na 2D zobrazení. Tento proces geografické projekce lze provést mnoha způsoby, ale různé zdroje dat mají svou vlastní „přirozenou“ projekci. Např. Kartézská radarová video data ze zdroje radaru na zemském povrchu jsou georeferencována takzvanou radarovou projekcí. Při použití této radarové projekce lze kartézské radarové obrazové pixely přímo zobrazit na obrazovce počítače (pouze se lineárně transformují podle aktuální polohy na obrazovce a např. Aktuální úrovně přiblížení) .Nyní nastává problém, pokud např. společně s radarovými videodaty se zobrazí také satelitní mapa. „Přirozenou“ geografickou projekcí satelitního obrazu by byla satelitní projekce, která závisí na oběžné dráze satelitu, poloze a dalších parametrech. Nyní musí být satelitní snímek znovu promítnut do radarové projekce, nebo radarové video musí využívat satelitní projekci. Tato geografická re-projekce se také nazývá geografické deformace nebo Geo Warping kde každý obrazový pixel musí být transformován z jedné projekce do druhé. Tento článek podrobněji popisuje Geo Warping radarových video obrazů v reálném čase. Ukáže také, že radarové video Geo Warping se provádí nejefektivněji, když je integrováno do procesu převodu radarového skenování.
Převod radarového skenování
Tato část popisuje principy procesu převodu radarového skenování (RSC).
Radar dodává naměřená data v polárních souřadnicích (ρ, θ) přímo z rotující antény. ρ definuje vzdálenost cíle / echa a θ úhel cíle v souřadnicích polárního světa. Tyto údaje jsou měřeny, digitalizovány a uloženy v polárních souřadnicích polární obchod nebo polární pixmap. Hlavním úkolem RSC je převést tato data na kartézské (x, y) souřadnice zobrazení a vytvořit potřebné pixely zobrazení. Proces RSC je ovlivněn aktuálním nastavením zoomu, posunu a rotace, které definuje, která část „světa“ bude viditelná na displeji. Jak je podrobně popsáno dále, proces RSC bere v úvahu také aktuálně používanou geografickou projekci, když jsou radarové video obrazy Geo Warped.
OpenGL RSC je implementován pomocí obráceného skenovacího přístupu, který vypočítává pro každý obrazový pixel nejvhodnější hodnotu amplitudy radaru v polárním úložišti. Tento přístup generuje optimální obraz bez artefaktů známých zepředu výplň paprsků algoritmy. Použitím bi-lineárního filtrování mezi sousedními pixely v polární obchod během procesu převodu OpenGL RSC konečně dosáhne velmi vysoké kvality radarového zobrazovacího obrazu pro každou úroveň zoomu a vytváří plynulé obrazy radarových ozvěn.
Radarová projekce
Tato část ilustruje, jak jsou radarová video data geograficky odkazována a zobrazována na obrazovce počítače.
Radarový senzor je umístěn na zemském povrchu s výškou h nad zemí. Měří přímou vzdálenost d k cíli (a nikoli např. vzdálenost, kterou je cíl od radaru, pokud by se člověk pohyboval na zemském povrchu). Tato vzdálenost se poté použije v rovině zobrazení po úpravě na aktuální úroveň zvětšení displeje převodníkem radarového skenování (RSC). Nyní je třeba objasnit, jak jsou radarová video data geograficky odkazována. To v zásadě znamená, že pokud chceme zobrazit geografický objekt reálného světa (např. Světelný dům), který je ve stejné reálné poloze jako radarový cíl, měl by se také objevit ve stejné poloze v rovině zobrazení. Toho je dosaženo výpočtem vzdálenosti od radarového senzoru k příslušnému objektu reálného světa a tuto vzdálenost použijte v rovině zobrazení. Poloha objektu reálného světa je obvykle uvedena v zeměpisné souřadnice (zeměpisná šířka, délka a výška nad zemským povrchem). Jinými slovy, použití radarové projekce s geografickými daty se provádí simulující proces radarového měření s objekty v reálném světě a použít výsledný rozsah a azimut v rovině zobrazení.
Druhý obrázek vpravo ukazuje příklad radarové projekce se středem projekce (COP) v zeměpisné šířce 50,0 ° a délce 0,0 °, což je také poloha radaru. Přerušované čáry jsou čáry stejné zeměpisné šířky a stejné délky nad mapou pozadí. Plné čáry ukazují stejný rozsah a stejný azimut s ohledem na polohu radaru. To je rys radarové projekce, že čáry se stejným dosahem jsou kruhy a čáry se stejným azimutem jsou přímky. To je nezbytné pro konzistentní zobrazení radarového videa s jinými mapovými daty, když používáte radarovou projekci, kde projekčním středem musí být poloha radaru.
Proces Geo Warping
| Tato sekce ne uvést žádný Zdroje. (Srpna 2018) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony) |
Tato část vysvětluje skutečný proces geo-deformace nebo re-projekce při aplikaci na radarové video v reálném čase. Předpokládejme, že chceme zobrazit radarové video na vrcholu satelitního obrazu. Jako příklad použijeme projekci CIB, která se používá k zobrazení satelitních dat v CIB (Controlled Image Base) formát.
Obrázek Radar Geo Warping na projekci CIB ukazuje přerušovaný kruh maximálního dosahu pro dosah 111 km nebo 60 mil pomocí radarové projekce. Takový rozsah je typický pro dálkové pobřežní radary. Jak je uvedeno v poslední části, jedná se o dokonalý kruh i na obrazovce počítače. Plná čára elipsa ukazuje stejný rozsah kružnice pro projekci CIB.
Chyby vyskytující se bez Geo Warpingu jsou nejmenší v blízkosti radarové polohy, pokud se alespoň projekční střed (COP) shoduje s radarovou pozicí, jak jsme si uvědomili v našem příkladu. Jinak rozdělení chyb závisí jak na použité projekci, tak na parametrech projekce. V našem případě jsou tedy chyby nejvýznamnější poblíž maximálního dosahu radaru. Chyba projekce CIB korigovaná ve směru východ-západ při polovičním dosahu radaru je 2,6 km a je 5,3 km při plném dosahu radaru 111 km. Chyba 5,3 km je poměrně významná ve srovnání s typickým radiálním radarovým rozlišením měření 15 m.
Obrázek Opětovná projekce souřadnic vysvětluje, jak musí být radarové souřadnice transformovány tak, aby odpovídaly souřadnicím projekce CIB. Radarové světové souřadnice odpovídají kartézské verzi dat měřených radarovým senzorem. Pomocí inverzní radarové projekce se tyto souřadnice převádějí na zeměpisné souřadnice, které představují polohy radarových dat na zemském povrchu. Tyto souřadnice jsou pak nakonec promítnuty CIB (nebo jakoukoli jinou) projekcí pro zobrazení na obrazovce počítače.
Vzniká problém v tom, že geoformace všech měřených radarových video pixelů je příliš náročná na výpočetní prostředky, než aby byla prováděna v reálném čase. Možným řešením je použít vyhledávací tabulky pro všechny body na obrazovce, ale přepočet vyhledávací tabulky po např. operace zvětšení displeje stále způsobuje znatelné zpoždění pro vizualizaci radarového videa.
Obrázek Geo deformační mřížka líčí řešení problému. Kruhová oblast pokrytí radarem je rozdělena do kruhové mřížky. Geograficky jsou zdeformovány pouze rohové body mřížky, což drasticky snižuje dobu výpočtu. Souřadnice uvnitř dlaždice mřížky jsou počítány váženou bilineární interpolací rohových bodů mřížky. Protože geografické projekce jsou obvykle nelineární funkce, zavádí se určitá chyba polohy radarového videa. Udržování této chyby dostatečně pod rozlišením radarového měření zajistí, že to nebude omezovat kvalitu zobrazení radarového videa. Velikost dlaždice mřížky je třeba vypočítat jednou pro polohu radaru a danou projekci. Mřížka se tedy obvykle počítá jednou pro statický radar a jen častěji pro pohybující se radary, například na lodích.
Převaděč radarového skenování OpenGL provádí své výpočty převodu skenování na grafická jednotka dosáhnout vysokého výkonu a vizuální kvality. Bi-lineární interpolace souřadnic uvedená výše se provádí ve vyhrazeném hardwaru na GPU, a proto nezpůsobuje žádnou režii pro převaděč skenování.
Příklad
Tento příklad ukazuje, jak geo warping pomáhá konzistentně zobrazovat více radarových videí.
Tento obrázek ukazuje vizuální efekty na pravé straně bez geo-deformace, že cíle viditelné dvěma radary nelze správně zobrazit a není jasné, kde je cíl ve skutečnosti umístěn. Červené a žluté cílové ozvěny jsou viděny jako radary, které jsou vzdálené asi 50 km. Radary jsou také od sebe vzdálené asi 50 km. Poloprůhledná růžová barva zobrazuje historii stopy.
V tomto scénáři se používá dokonce radarová projekce, ale centrum radarové projekce (COP) může být samozřejmě pouze v poloze jednoho z radarů. Pokud se použije projekce odlišná od radarové projekce, mohou nastat ještě větší nesrovnalosti. Geo pokřivený pohled na levé straně ukazuje konzistentně zobrazené radarové ozvěny, kde jsou obě radarové ozvěny přesně v poloze skutečného cíle.