La deformación geográfica es el ajuste de los datos de video de radar geo-referenciados para que sean consistentes con una proyección geográfica . Esta deformación de la imagen evita cualquier restricción al mostrarla junto con video de múltiples fuentes de radar o con otros datos geográficos, incluidos mapas escaneados e imágenes de satélite que pueden proporcionarse en una proyección particular. Hay muchas áreas en las que la deformación geográfica tiene beneficios únicos:
- Señal de vídeo de radar única que se muestra junto con mapas de diferentes proyecciones geográficas. P.ej
- Múltiples señales de video de radar mostradas simultáneamente:
- Tener la potencia informática para hacerlo en una computadora.
- Adaptar la proyección de todas las señales de radar permitiendo la visualización geográficamente correcta y la superposición precisa de esos videos.
- Corrección de rango inclinado: un moderno sistema de radar 3D puede medir la altura de un objetivo y, por lo tanto, es posible corregir el video del radar por el rango real corregido del objetivo. La corrección de rango inclinado también permite compensar la altura de la torre del radar, por ejemplo, para radares de vigilancia marítima.
Introducción
El video de radar presenta los ecos de las ondas electromagnéticas que un sistema de radar ha emitido y recibido posteriormente como reflejos. Estos ecos se presentan típicamente en una pantalla de computadora con un esquema de codificación de colores que representa la fuerza de la reflexión. Deben resolverse dos problemas durante dicho proceso de visualización. El primer problema surge del hecho de que normalmente la antena del radar gira alrededor de su posición y mide las distancias del eco de reflexión desde su posición en una dirección. Esto significa efectivamente que los datos de video del radar están presentes en coordenadas polares . En los sistemas más antiguos, la imagen de orientación polar se muestra en los denominados indicadores de posición en planta (PPI). El alcance de PPI utiliza un barrido radial que gira alrededor del centro de la presentación. Esto da como resultado una imagen similar a un mapa del área cubierta por el rayo del radar. Se utiliza una pantalla de larga persistencia para que la pantalla permanezca visible hasta que el barrido vuelva a pasar.
El rumbo hacia el objetivo se indica mediante la posición angular del objetivo en relación con una línea imaginaria que se extiende verticalmente desde el origen del barrido hasta la parte superior del alcance. La parte superior del osciloscopio es el norte verdadero (cuando el indicador se opera en el modo de demora real) o el rumbo del barco (cuando el indicador se opera en el modo de demora relativa).
Para la visualización en una pantalla de computadora moderna, las coordenadas polares deben convertirse en coordenadas cartesianas . Este proceso llamado conversión de escaneo de radar se presenta con más detalle en la siguiente sección. El segundo problema a resolver surge del hecho de que un sistema de radar se coloca en el mundo real y mide las posiciones del eco en el mundo real. Estos ecos deben mostrarse junto con otros datos del mundo real como posiciones de objetos, mapas vectoriales e imágenes de satélite de manera coherente. Toda esta información se refiere a la superficie curva de la tierra, pero se muestra en una pantalla plana de computadora. La construcción de un enlace desde las posiciones de la tierra del mundo real para mostrar píxeles se denomina comúnmente referencia geográfica o, en pocas palabras, georreferenciación.
Parte del proceso de georreferenciación es mapear la superficie de la tierra en 3D en una pantalla en 2D. Este proceso de proyección geográfica se puede realizar de muchas formas, pero las distintas fuentes de datos tienen su propia proyección "natural". Por ejemplo, los datos de vídeo de radar cartesiano de una fuente de radar en la superficie de la tierra se georreferencian mediante una llamada proyección de radar. Cuando se utiliza esta proyección de radar, los píxeles de video del radar cartesiano pueden mostrarse directamente en la pantalla de una computadora (solo se transforman linealmente de acuerdo con la posición actual en la pantalla y, por ejemplo, el nivel de zoom actual). Ahora surge un problema si, por ejemplo, también se debe mostrar un mapa de satélite junto con los datos de vídeo del radar. La proyección geográfica "natural" de una imagen de satélite sería una proyección de satélite que depende de la órbita del satélite, la posición y otros parámetros. Ahora, o la imagen de satélite tiene que ser reproyectada a una proyección de radar o el video de radar tiene que utilizar la proyección de satélite. Esta geográfica reproyección también se llama deformación geográfica o Geo Warping , donde cada píxel de la imagen tiene que ser transformado de una proyección a otra. Este artículo describe con más detalle el Geo Warping de las imágenes de video de radar en tiempo real. También mostrará que la deformación geográfica de video de radar se realiza de manera más eficiente cuando se integra con el proceso de conversión de escaneo de radar.
Conversión de escaneo de radar
Esta sección describe los principios del proceso de conversión de escaneo de radar (RSC).
El radar proporciona sus datos medidos en coordenadas polares (ρ, θ) directamente desde la antena giratoria. ρ define la distancia objetivo / eco y θ el ángulo del objetivo en coordenadas del mundo polar. Estos datos se miden, digitalizan y almacenan en un almacén polar de coordenadas polares o en un mapa de píxeles polar . La tarea principal de RSC es convertir estos datos en coordenadas de visualización cartesianas (x, y), creando los píxeles de visualización necesarios. El proceso RSC está influenciado por la configuración actual de zoom, desplazamiento y rotación que definen qué parte del "mundo" será visible en la imagen de visualización. Como se detalla más adelante, el proceso RSC también tiene en cuenta la proyección geográfica utilizada actualmente cuando las imágenes de video del radar son Geo Warped.
El OpenGL RSC se implementa utilizando un enfoque de conversión de escaneo inverso que calcula para cada píxel de imagen el valor de amplitud de radar más apropiado en el almacén polar. Este enfoque genera una imagen óptima sin ningún artefacto conocido de los algoritmos de relleno de radios hacia adelante . Al aplicar un filtrado bilineal entre píxeles adyacentes en el almacén polar durante el proceso de conversión, OpenGL RSC finalmente logra una imagen de visualización de radar de muy alta calidad visual para cada nivel de zoom, creando imágenes suaves de los ecos del radar.
Proyección de radar
Esta sección ilustra cómo los datos de video de radar se referencian geográficamente y se muestran en la pantalla de una computadora.
El sensor de radar se coloca en la superficie de la tierra a una altura h sobre el suelo. Mide la distancia directa d al objetivo (y no, por ejemplo, la distancia entre el objetivo y el radar si uno se moviera sobre la superficie de la tierra). Luego, esta distancia se usa en el plano de visualización después del ajuste al nivel de zoom de visualización actual mediante el convertidor de exploración de radar (RSC). Ahora hay que aclarar cómo se hace referencia geográfica a los datos de vídeo del radar. Esto básicamente significa que si queremos mostrar un objeto geográfico del mundo real (como, por ejemplo, un faro) que se encuentra en la misma posición del mundo real que el objetivo del radar, también aparecerá en la misma posición en el plano de visualización. Esto se logra calculando la distancia desde el sensor de radar al objeto del mundo real respectivo y usando esa distancia en el plano de visualización. La posición del objeto del mundo real generalmente se da en coordenadas geográficas (latitud, longitud y altura sobre la superficie de la tierra). En otras palabras, el uso de una proyección de radar con datos geográficos se realiza simulando un proceso de medición de radar con los objetos del mundo real y utilizando el rango y el acimut resultantes en el plano de visualización.
La segunda imagen de la derecha muestra un ejemplo de proyección de radar con el centro de proyección (COP) en una latitud de 50,0 ° y una longitud de 0,0 °, que también es la posición del radar. Las líneas discontinuas son las líneas de igual latitud e igual longitud en la parte superior del mapa de fondo. Las líneas continuas muestran el mismo alcance y el mismo azimut con respecto a la posición del radar. Una característica de la proyección del radar es que las líneas de igual alcance son círculos y las líneas de igual azimut son líneas rectas. Esto es necesario para mostrar el video del radar de manera consistente con otros datos del mapa cuando se usa una proyección de radar donde el centro de proyección debe ser la posición del radar.
Proceso de deformación geográfica
Esta sección explica el proceso real de deformación geográfica o reproyección cuando se aplica a un video de radar en tiempo real. Supongamos que queremos mostrar un video de radar sobre una imagen de satélite. Como ejemplo, utilizamos la proyección CIB que se utiliza para mostrar datos de satélite en formato CIB (Base de imagen controlada) .
La Figura Geo Warping Radar to CIB Projection muestra punteado el círculo de alcance máximo para un alcance de 111 km o 60 millas usando la proyección del radar. Este rango es típico de los radares de vigilancia costera de largo alcance. Como se indicó en la última sección, este es un círculo perfecto también en la pantalla de la computadora. La elipse de línea continua muestra el mismo círculo de rango para la proyección CIB.
Normalmente, los errores que ocurren sin Geo Warping son más pequeños cerca de la posición del radar si al menos el centro de proyección (COP) coincide con la posición del radar, como se observa en nuestro ejemplo. De lo contrario, la distribución del error depende tanto de la proyección utilizada como de los parámetros de proyección. Por tanto, en nuestro caso, los errores son más significativos cerca del alcance máximo del radar. El error de proyección CIB corregido en dirección este-oeste en la mitad del alcance del radar es de 2,6 km y es de 5,3 km en el alcance total del radar de 111 km. Un error de 5,3 km es bastante significativo en comparación con una resolución de medición de radar radial típica de 15 m.
La reproyección de coordenadas de figura explica cómo las coordenadas del radar deben transformarse para que coincidan con las coordenadas de proyección CIB. Las coordenadas mundiales del radar corresponden a la versión cartesiana de los datos medidos por el sensor de radar. Usando una proyección de radar inversa, estas coordenadas se convierten en coordenadas geográficas que representan las posiciones de los datos del radar en la superficie de la tierra. Estas coordenadas son finalmente proyectadas por la proyección CIB (o cualquier otra) para mostrarlas en la pantalla de la computadora.
Un problema que surge es que la deformación geográfica de todos los píxeles de vídeo de radar medidos consume demasiados recursos informáticos como para realizarse en tiempo real. Una posible solución es utilizar tablas de búsqueda para todos los puntos en la pantalla, pero el recálculo de la tabla de búsqueda después de, por ejemplo, una operación de zoom de la pantalla, aún causa un retraso notable para la visualización de video por radar.
La cuadrícula de deformación de Figure Geo muestra la solución al problema. El área de cobertura del radar circular se divide en una cuadrícula circular. Solo los puntos de las esquinas de la cuadrícula se deforman geográficamente, lo que reduce drásticamente el tiempo de cálculo. Las coordenadas dentro de un mosaico de cuadrícula se calculan mediante una interpolación bilineal ponderada de los puntos de las esquinas de la cuadrícula. Como las proyecciones geográficas son típicamente funciones no lineales, esto introduce un cierto error en la posición de visualización de vídeo del radar. Mantener este error lo suficientemente por debajo de la resolución de medición del radar asegura que esto no sea una restricción para la calidad de visualización del video del radar. El tamaño del mosaico de la cuadrícula debe calcularse una vez para una posición de radar y una proyección determinada. Por lo tanto, la cuadrícula se calcula típicamente una vez para un radar estático y solo más a menudo para radares en movimiento, como en barcos.
El convertidor de escaneo de radar OpenGL realiza sus cálculos de conversión de escaneo en la unidad de procesamiento de gráficos para lograr un alto rendimiento y calidad visual. La interpolación de coordenadas bilineales mencionada anteriormente se realiza en hardware dedicado en la GPU y, por lo tanto, no causa sobrecarga para el convertidor de escaneo.
Ejemplo
Este ejemplo demuestra cómo la deformación geográfica ayuda a mostrar de forma consistente varios videos de radar.
Esta figura muestra los efectos visuales en el lado derecho sin deformación geográfica que indican que los objetivos vistos por dos radares no se pueden mostrar correctamente y no está claro dónde está realmente posicionado el objetivo. Los ecos de blancos rojos y amarillos se ven como radares que están a unos 50 km de distancia. Los radares también están a unos 50 km entre sí. El color rosa semitransparente representa la historia de la pista.
En este escenario, incluso se utiliza una proyección de radar pero, por supuesto, el centro de proyección de radar (COP) solo puede estar en la posición de uno de los radares. Pueden surgir inconsistencias aún mayores si se utiliza una proyección diferente de una proyección de radar. La vista geo deformada en el lado izquierdo muestra los ecos de radar que se muestran constantemente donde ambos ecos de radar están exactamente en la posición del objetivo real.