レーダージオワーピング

レーダー ジオワーピングとは、地理参照された レーダー画像とビデオ データを地理的投影と一致するように調整することです。この画像ワーピングにより、複数のレーダーソースからのビデオや、特定の投影で提供されるスキャン マップや衛星画像などの他の地理データと一緒に表示するときに、制限が回避されます。ジオワーピングが独自の利点を持つ領域は多数あります。

• 単一のレーダービデオ信号が、異なる地理的投影の地図とともに表示されます。例:
  • メルカトル
  • UTTM
  • 立体的
• 複数のレーダービデオ信号を同時に表示:
  • 1 台のコンピューターでそれを実行できる計算能力があること。
  • すべてのレーダー信号の投影を適応させることで、地理的に正しい表示とそれらのビデオの正確な重ね合わせが可能になります。
• スラントレンジ補正: 最新の 3D レーダー システムはターゲットの高さを測定できるため、ターゲットの実際の補正距離でレーダー ビデオを補正できます。スラントレンジ補正により、海上監視レーダーなどのレーダー タワーの高さを補正することもできます。

レーダービデオは、レーダーシステムが放射し、その後反射として受信した電磁波のエコーを表示します。これらのエコーは通常、反射強度を示す色分け方式でコンピューター画面に表示されます。このような視覚化プロセス中に、2 つの問題を解決する必要があります。最初の問題は、通常、レーダーアンテナがその位置の周りを回転し、その位置から一方向の反射エコー距離を測定することから生じます。これは、実質的に、レーダービデオデータが極座標で存在することを意味します。古いシステムでは、極座標画像は、いわゆるプラン位置インジケーター(PPI) で表示されていました。PPI スコープは、表示の中心を軸にして回転する放射状のスイープを使用します。これにより、レーダービームでカバーされる領域の地図のような画像が得られます。スイープが再び通過するまで表示が見え続けるように、長時間持続スクリーンが使用されています。

ターゲットの方位は、スイープ原点からスコープの上部まで垂直に伸びる仮想線に対するターゲットの角度位置によって示されます。スコープの上部は、真北 (インジケーターが真方位モードで操作されている場合) または船の方向 (インジケーターが相対方位モードで操作されている場合) のいずれかになります。

現代のコンピュータ画面で視覚化するには、極座標を直交座標に変換する必要があります。このプロセスはレーダースキャン変換と呼ばれ、次のセクションで詳しく説明します。解決すべき 2 番目の問題は、レーダー システムが現実世界に配置され、現実世界のエコー位置を測定するという事実から生じます。これらのエコーは、オブジェクトの位置、ベクトル マップ、衛星画像などの他の現実世界のデータと一緒に一貫した方法で表示する必要があります。この情報はすべて曲面の地球表面を参照していますが、平らなコンピュータ ディスプレイに表示されます。現実世界の地球の位置からピクセルを表示するためのリンクを構築することは、一般に地理参照または略してジオリファレンスと呼ばれます。

地理参照プロセスの一部は、3D の地球表面を 2D ディスプレイにマッピングすることです。この地理投影のプロセスはさまざまな方法で実行できますが、データ ソースごとに独自の「自然な」投影があります。たとえば、地球表面のレーダー ソースからの直交レーダー ビデオ データは、いわゆるレーダー投影によって地理参照されます。このレーダー投影を使用すると、直交レーダー ビデオ ピクセルをコンピューター画面に直接表示できます (画面上の現在の位置や現在のズーム レベルなどに応じて線形変換されるだけです)。ここで、たとえば衛星マップもレーダー ビデオ データと一緒に表示する必要がある場合に問題が発生します。衛星画像の「自然な」地理投影は、衛星の軌道、位置、およびその他のパラメータに依存する衛星投影です。この場合、衛星画像をレーダー投影に再投影するか、レーダー ビデオで衛星投影を使用する必要があります。この地理再投影は、地理ワーピングまたはジオ ワーピングとも呼ばれ、各画像ピクセルを 1 つの投影から別の投影に変換する必要があります。この記事では、レーダー ビデオ画像のリアルタイム ジオワーピングについて詳しく説明します。また、レーダー ビデオ ジオワーピングは、レーダー スキャン変換プロセスと統合すると最も効率的に実行されることも示します。

このセクションでは、レーダースキャン変換 (RSC) プロセスの原理について説明します。

レーダーは、回転アンテナから直接、極座標 (ρ,θ) で測定データを供給します。ρ はターゲット/エコー距離を定義し、θ は極世界座標でのターゲット角度を定義します。これらのデータは測定され、デジタル化され、極座標極ストアまたは極ピクセルマップに保存されます。主な RSC タスクは、これらのデータを直交 (x, y) 表示座標に変換し、必要な表示ピクセルを作成することです。RSC プロセスは、現在のズーム、シフト、および回転設定の影響を受け、表示画像に「世界」のどの部分が表示されるかを定義します。後で詳しく説明するように、RSC プロセスでは、レーダー ビデオ画像がジオワープされている場合、現在使用されている地理的投影も考慮されます。

OpenGL RSC は、逆スキャン変換アプローチを使用して実装されており、これは、画像ピクセルごとに極座標ストア内の最も適切なレーダー振幅値を計算し、このアプローチにより、フォワードスポーク フィルアルゴリズムで知られているアーティファクトのない最適な画像を生成します。変換プロセス中に極座標ストア内の隣接するピクセル間にバイリニア フィルタリングを適用することにより、OpenGL RSC は最終的に、すべてのズーム レベルで非常に高画質のレーダー表示画像を実現し、レーダー エコーの滑らかな画像を作成します。

このセクションでは、レーダー ビデオ データがどのように地理参照され、コンピューター画面に表示されるかを説明します。

レーダー センサーは、地上から高さhの地表に配置されています。これは、ターゲットまでの直線距離d を測定します (たとえば、地表でターゲットが移動した場合に、ターゲットがレーダーからどれだけ離れているかを測定するものではありません)。この距離は、レーダー スキャン コンバーター (RSC) によって現在の表示ズーム レベルに調整された後、表示平面で使用されます。ここで、レーダー ビデオ データがどのように地理参照されるかを明確にする必要があります。これは基本的に、レーダー ターゲットと同じ実世界の位置にある地理的な実世界のオブジェクト (たとえば、灯台など) を表示する場合、表示平面でも同じ位置に表示される必要があることを意味します。これは、レーダー センサーからそれぞれの実世界のオブジェクトまでの距離を計算し、その距離を表示平面で使用することで実現されます。実世界のオブジェクトの位置は、通常、地理座標(緯度、経度、地表からの高さ) で示されます。言い換えれば、地理データを使用したレーダー投影の使用は、現実世界のオブジェクトを使用してレーダー測定プロセスをシミュレートし、その結果得られた範囲と方位角を表示平面で使用することによって行われます。

右の 2 番目の図は、投影の中心 (COP) が緯度 50.0°、経度 0.0° (レーダーの位置) にあるレーダー投影の例を示しています。破線は、背景マップの上にある等緯度および等経度の線です。実線は、レーダーの位置に対する等距離および等方位角を示しています。等距離線が円で、等方位角線が直線であるのが、レーダー投影の特徴です。投影の中心がレーダーの位置である必要があるレーダー投影を使用する場合、これはレーダー ビデオを他のマップ データと一貫して表示するために必要です。

このセクションでは、レーダー ビデオにリアルタイムで適用される実際のジオワーピングまたは再投影プロセスについて説明します。レーダー ビデオを衛星画像の上に表示したいとします。例として、CIB (Controlled Image Base)形式で衛星データを表示するために使用される CIB 投影を使用します。

図「ジオワーピング レーダーから CIB 投影へ」は、レーダー投影を使用して 111 km (60 マイル) の範囲の最大範囲円を破線で示しています。このような範囲は、長距離沿岸監視レーダーでは一般的です。前のセクションで述べたように、これはコンピューター画面でも完全な円です。実線の楕円は、CIB 投影の同じ範囲円を示しています。

通常、ジオワーピングなしで発生する誤差は、この例で実現されているように、少なくとも投影中心 (COP) がレーダー位置と一致する場合、レーダー位置の近くで最小になります。それ以外の場合、誤差の分布は、使用される投影と投影パラメータの両方に依存します。したがって、このケースでは、誤差は最大レーダー範囲の近くで最も大きくなります。東西方向に補正された CIB 投影誤差は、レーダー範囲の半分で 2.6 km で、レーダー範囲全体の 111 km では 5.3 km です。5.3 km の誤差は、一般的なラジアル レーダー測定解像度 15 m と比較するとかなり大きくなります。

図の座標再投影は、レーダー座標を CIB 投影座標と一致するように変換する方法を説明しています。レーダーの世界座標は、レーダー センサーによって測定されたデータの直交座標バージョンに対応します。逆レーダー投影を使用して、これらの座標は、地球表面上のレーダー データの位置を表す地理座標に変換されます。これらの座標は、最終的に CIB (またはその他の) 投影によって投影され、コンピューター画面に表示されます。

問題が発生するのは、測定されたすべてのレーダー ビデオ ピクセルをジオワーピングすると、リアルタイムで実行するには計算リソースが多すぎることです。考えられる解決策は、画面上のすべてのポイントにルックアップ テーブルを使用することですが、たとえば表示のズーム操作後のルックアップ テーブルの再計算により、レーダー ビデオの視覚化に依然として顕著な遅延が発生します。

図「ジオワーピング グリッド」は、問題の解決方法を示しています。円形のレーダー カバレッジ エリアは、円形のグリッドに分割されます。グリッドのコーナー ポイントのみがジオワーピングされるため、計算時間が大幅に短縮されます。グリッド タイル内の座標は、グリッド コーナー ポイントの加重双線形補間によって計算されます。地理的投影は一般に非線形関数であるため、レーダー ビデオ表示位置に一定の誤差が生じます。この誤差をレーダー測定解像度より十分に低く抑えることで、レーダー ビデオ表示品質が制限されることがなくなります。グリッド タイルのサイズは、レーダー位置と特定の投影に対して 1 回計算する必要があります。したがって、グリッドは通常、静的レーダーに対して 1 回計算され、船舶などの移動レーダーに対してはより頻繁に計算されます。

OpenGL レーダー スキャン コンバーターは、グラフィックス プロセッシング ユニットでスキャン変換の計算を実行し、高いパフォーマンスと視覚品質を実現します。前述の双線形座標補間は GPU 上の専用ハードウェアで実行されるため、スキャン コンバーターにオーバーヘッドは発生しません。

この例では、ジオワーピングが複数のレーダー ビデオを一貫して表示するのにどう役立つかを示します。

この図は、ジオワーピングなしの右側の視覚効果を示しています。2 つのレーダーで検出されたターゲットが正しく表示されず、ターゲットの実際の位置が不明瞭です。赤と黄色のターゲット エコーは、約 50 km 離れたレーダーで表示されています。レーダー同士も約 50 km 離れています。半透明のピンク色は、軌跡の履歴を示しています。

このシナリオではレーダー投影も使用されますが、もちろんレーダー投影中心 (COP) はレーダーの 1 つの位置にしか存在できません。レーダー投影とは異なる投影を使用すると、さらに大きな不一致が生じる可能性があります。左側のジオワープ ビューには、両方のレーダー エコーが実際のターゲットの位置に正確に位置する、一貫して表示されたレーダー エコーが表示されます。