La deformación geográfica del radar es el ajuste de imágenes de radar y datos de vídeo georreferenciados para que sean coherentes con una proyección geográfica . Esta deformación de imágenes evita cualquier restricción al visualizarlas junto con vídeos de varias fuentes de radar o con otros datos geográficos, incluidos mapas escaneados e imágenes satelitales que puedan proporcionarse en una proyección particular. Hay muchas áreas en las que la deformación geográfica tiene ventajas únicas:
El vídeo de radar presenta los ecos de las ondas electromagnéticas emitidas y recibidas por un sistema de radar como reflejos. Estos ecos se presentan normalmente en una pantalla de ordenador con un esquema de codificación por colores que representa la intensidad de la reflexión. Durante este proceso de visualización se deben resolver dos problemas. El primero surge del hecho de que normalmente la antena del radar gira sobre su posición y mide las distancias del eco de reflexión desde su posición en una dirección. Esto significa efectivamente que los datos del vídeo del radar están presentes en coordenadas polares . En los sistemas más antiguos, la imagen orientada polarmente se ha mostrado en los llamados indicadores de posición plana (PPI). El visor 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 haz del radar. Se utiliza una pantalla de larga persistencia para que la pantalla permanezca visible hasta que el barrido pase de nuevo.
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 telescopio. La parte superior del telescopio es el norte verdadero (cuando el indicador se utiliza en el modo de rumbo verdadero) o el rumbo del barco (cuando el indicador se utiliza en el modo de rumbo relativo).
Para visualizarlas en una pantalla de ordenador moderna, las coordenadas polares deben convertirse en coordenadas cartesianas . Este proceso, denominado conversión de barrido de radar, se presenta con más detalle en la siguiente sección. El segundo problema que hay que resolver surge del hecho de que un sistema de radar se coloca en el mundo real y mide las posiciones de los ecos en el mundo real. Estos ecos deben mostrarse junto con otros datos del mundo real, como las posiciones de los objetos, los mapas vectoriales y las imágenes de satélite, de forma coherente. Toda esta información se refiere a la superficie curva de la Tierra, pero se muestra en una pantalla de ordenador plana. La creación de un vínculo entre las posiciones de la Tierra en el mundo real y los píxeles de la pantalla se denomina comúnmente referencia geográfica o, en resumen, georreferenciación.
Parte del proceso de georreferenciación consiste en representar la superficie terrestre en 3D en una pantalla 2D. Este proceso de proyección geográfica se puede realizar de muchas maneras, 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 terrestre se georreferencian mediante una denominada proyección de radar. Al utilizar esta proyección de radar, los píxeles de vídeo de radar cartesiano se pueden visualizar directamente en una pantalla de ordenador (sólo se transforman linealmente según 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 satelital junto con los datos de vídeo de 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 bien, la imagen de satélite tiene que ser reproyectada a una proyección de radar o el vídeo de radar tiene que utilizar la proyección de satélite. Esta reproyección geográfica también se denomina deformación geográfica o Geo Warping , en la que cada píxel de la imagen tiene que ser transformado de una proyección a otra. En este artículo se describe con más detalle la deformación geográfica de imágenes de vídeo de radar en tiempo real. También se demostrará que la deformación geográfica de imágenes de radar se realiza de forma más eficiente cuando se integra con el proceso de 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 objetivo en coordenadas polares del mundo. Estos datos se miden, digitalizan y almacenan en un almacén de coordenadas polares o en un mapa de píxeles polar . La principal tarea del RSC es convertir estos datos a coordenadas de visualización cartesianas (x, y), creando los píxeles de visualización necesarios. El proceso RSC está influenciado por los ajustes actuales 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 vídeo del radar se deforman geográficamente.
El OpenGL RSC se implementa utilizando un enfoque de conversión de escaneo inverso que calcula para cada píxel de la imagen el valor de amplitud de radar más apropiado en el almacenamiento 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 almacenamiento polar durante el proceso de conversión, el OpenGL RSC finalmente logra una imagen de visualización de radar de muy alta calidad visual para cada nivel de zoom, creando imágenes uniformes de los ecos del radar.
Esta sección ilustra cómo se georreferencian los datos de vídeo del radar y cómo se muestran en la pantalla de una computadora.
El sensor de radar se coloca sobre la superficie terrestre a una altura h sobre el suelo. Mide la distancia directa d hasta el objetivo (y no, por ejemplo, la distancia a la que se encuentra el objetivo del radar si uno se moviera sobre la superficie terrestre). Esta distancia se utiliza luego en el plano de visualización después de ajustar el nivel de zoom de visualización actual mediante el convertidor de escaneo de radar (RSC). Ahora se debe aclarar cómo se georreferencian los datos de video del radar. Esto significa básicamente que si queremos mostrar un objeto geográfico del mundo real (como, por ejemplo, un faro) que está en la misma posición del mundo real que el objetivo del radar, también debe aparecer en la misma posición en el plano de visualización. Esto se realiza calculando la distancia desde el sensor de radar hasta el objeto del mundo real respectivo y utilizando 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 terrestre). 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 a la derecha muestra un ejemplo de proyección de radar con el centro de proyección (COP) en latitud 50,0° y longitud 0,0°, que también es la posición del radar. Las líneas discontinuas son las líneas de igual latitud y igual longitud en la parte superior del mapa de fondo. Las líneas continuas muestran el mismo alcance y el mismo acimut con respecto a la posición del radar. Una característica de la proyección de radar es que las líneas de igual alcance son círculos y las líneas de igual acimut son líneas rectas. Esto es necesario para mostrar el video del radar de manera consistente con otros datos del mapa cuando se utiliza una proyección de radar donde el centro de proyección tiene que ser la posición del radar.
En esta sección se explica el proceso de deformación geográfica o reproyección real cuando se aplica a un vídeo de radar en tiempo real. Supongamos que queremos visualizar un vídeo de radar sobre una imagen de satélite. Como ejemplo, utilizamos la proyección CIB, que se utiliza para visualizar datos de satélite en formato CIB (Base de imagen controlada) .
La figura Radar de deformación geográfica a proyección CIB muestra en trazos discontinuos el círculo de alcance máximo para un alcance de 111 km o 60 millas utilizando la proyección de radar. Este alcance es típico para radares de vigilancia costera de largo alcance. Como se indicó en la sección anterior, este es un círculo perfecto también en la pantalla de la computadora. La elipse de línea continua muestra el mismo círculo de alcance para la proyección CIB.
Normalmente, los errores que se producen 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 de errores depende tanto de la proyección utilizada como de los parámetros de proyección. Por lo 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 a la mitad del alcance del radar es de 2,6 km y es de 5,3 km en el alcance completo 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 la figura explica cómo deben transformarse las coordenadas del radar para que coincidan con las coordenadas de la proyección CIB. Las coordenadas del radar mundial corresponden a la versión cartesiana de los datos medidos por el sensor del radar. Mediante una proyección de radar inversa, estas coordenadas se convierten en coordenadas geográficas que representan las posiciones de los datos del radar en la superficie terrestre. Estas coordenadas se proyectan finalmente mediante la proyección CIB (o cualquier otra) para visualizarlas en la pantalla del ordenador.
Un problema que surge es que la deformación geográfica de todos los píxeles de vídeo de radar medidos consume demasiados recursos informáticos como para que se pueda realizar en tiempo real. Una posible solución es utilizar tablas de búsqueda para todos los puntos de la pantalla, pero el recálculo de la tabla de búsqueda después de, por ejemplo, una operación de zoom de la pantalla sigue provocando un retraso notable en la visualización del vídeo de radar.
La cuadrícula de deformación geográfica de la figura 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 para la posición de visualización del video del radar. Mantener este error lo suficientemente por debajo de la resolución de medición del radar garantiza que esto no sea una restricción para la calidad de visualización del video del radar. El tamaño del mosaico de cuadrícula debe calcularse una vez para una posición de radar y una proyección dada. Por lo tanto, la cuadrícula generalmente se calcula una vez para un radar estático y solo con mayor frecuencia para radares en movimiento, como los de los barcos.
El convertidor de escaneo de radar OpenGL realiza sus cálculos de conversión de escaneo en la unidad de procesamiento gráfico para lograr un alto rendimiento y calidad visual. La interpolación de coordenadas bilineal mencionada anteriormente se realiza en hardware dedicado en la GPU y, por lo tanto, no genera sobrecarga para el convertidor de escaneo.
Este ejemplo demuestra cómo la deformación geográfica ayuda a mostrar de forma consistente múltiples videos de radar.
Esta figura muestra los efectos visuales en el lado derecho sin deformación geográfica, ya que los objetivos vistos por dos radares no se pueden mostrar correctamente y no está claro dónde se encuentra realmente el objetivo. Los ecos de objetivo rojo y amarillo se ven por radares que están a unos 50 km de distancia. Los radares también están a unos 50 km de distancia entre sí. El color rosa semitransparente representa el historial de seguimiento.
En este escenario, se utiliza incluso una proyección de radar, pero, por supuesto, el centro de proyección de radar (COP) puede estar solo en la posición de uno de los radares. Pueden surgir inconsistencias aún mayores si se utiliza una proyección diferente a la de radar. La vista georreferenciada del lado izquierdo muestra los ecos de radar mostrados de manera uniforme, donde ambos ecos de radar están exactamente en la posición del objetivo real.