JP2008134224A - 三次元レーダー像のレンダリングのための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改善された解像度を有する画像、及びレーダーの位置からだけではなくパイロットの視点からの画像も提供するための改善したレーダーシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本発明に従ったレーダー走査地形表面の３Ｄ描画画像は地形表面からのレーダーエコー信号によって与えられる。エコー信号は地形表面のレーダー照射領域の方位、高度、及び距離を示すデータを含む。データはＸ,Ｙ,Ｚ座標への変換のために処理される。各照射領域に対応するＸ及びＹ座標は地形表面を表す三角形であって、各々が頂点の３つの組によって規定される三角形のメッシュを生成するために三角測量によって測量される。３Ｄ描画画像を形成するために、３Ｄ画像情報（グレースケール陰影及び（または）カラーリング情報）が３つの組の各頂点によって表される座標からのレーダーエコー信号の振幅及び各頂点のＺ座標の値に基づいて、メッシュの各三角形に加えられる。
【選択図】図１

Description

本発明はレーダー像の作成方法に関する。特に、本発明はレーダー像のレンダリングのための装置及び方法に関する。

航空機の制御、特に悪条件における離陸、接近、及び着陸中の航空機の制御において高度な視覚システムは非常に重要である。このような能力を与えるために、多くの場合、レーダー及び電気光学赤外線（ＥＯ／ＩＲ（Electro-Optical Infra-Red））システムが利用されている。これらのシステムの効果はそれらの画像化技術の品質に依存するところが大きい。画像化技術はこの分野で広く使用されている。ある種の画像化技術は特定の用途に対してより適している。例えば、レーダー画像はナビゲーション、監視、偵察、及びターゲットの追跡及び識別に対して広く使用されている。

レーダー画像は通常、二次元の走査（距離及び方位）によって達成されている（例えば、特許文献１参照）。画像は全てのエコー信号（または、反射信号）が平らな平面からのものであると仮定することにより（この仮定は距離／方位座標から平面Ｘ,Ｙデカルトフレームへの変換を可能にする）、各解像度セル（方位ビーム幅、距離解像長によるステップ、または距離ステップ）からの反射された信号の大きさから描画される。結果として作成される画像は各基本解像度セルにおいて、レーダーエコーレベル（または、レーダー反射レベル）に関連した画像輝度、グレースケール陰影、色、またはそれらの組み合わせによる平面図である。トップダウン式遠近法によって作成されたこれらの画像が多くの用途に対して便利であるが、例えば、パイロットの視点から等の、異なった視点からの視野が要求される場合にいくつかの欠点を有する。

特開平７−１２９３７号公報

従来のレーダー像システムは１つのデータ（すなわち、画像）から他の視点からのデータへの変換を可能にするための基本解像度セルの位置の、３つの全ての座標寸法を与えない（仰角測定が存在しない）。すなわち、それらはパイロットの視点からの、画像における適当な高さの対象物を与えない。

従来のレーダー像レーダーシステムのいくつから垂直方向情報に対してデータベースを使用している。そのようなシステムにおいて、レーダーのセンサーの位置は正確なナビゲーションシステムによって決定され、上述の方法で作成された二次元画像を絶対座標で登録することによって、データベースからの高さデータの使用が可能になる。しかしながら、この手法は以下の２つの主要な欠点を有する。第１に、データベースの最後の更新後に立てられたタワー建造物等の、データベースに格納されていない垂直方向の寸法を有する対象物を検出する能力を有していない。第２に、例えばヘリコプターが雲または霧の中で着陸する場合、パイロットの状況的な認識を確証するために３０ｃｍ程度の解像像が要求されるが、いくつかの用途においてはそのような要求された解像度が利用可能ではない。

従来のレーダー像技術のもう１つの欠点は「鏡面反射」として知られる現象による、視覚的に均一な表面からのエコー（または、反射）の大きさの不規則性である。レーダー画像は通常、反射されたエネルギーの比較的長い波長を利用するので、人間の目で見たときに均一に見える表面の画像に対して不自然な明暗を有する領域を生ずる。人間の目は検出された表面からの放射及び反射の両方のエネルギーを受信することに慣れているので、再構成されたレーダー像は不自然に見える。

従来のレーダー像技術はＥＯ／ＩＲセンサーに匹敵する角度解像度を与えることができない。解像度に対するこの不足は方位の次元において非常に不鮮明な画像を生成し、上記の鏡面反射と組み合わされたときに、ほとんどのレーダー像の人間による解釈を困難なものにする。

したがって、改善された解像度を有する画像を提供するため、及びレーダーの位置からだけではなく、パイロットの視点からの画像も提供するための改善したシステム及び方法に対する要求が存在する。

本発明は新規な三次元（３Ｄ）レーダー像レンダリング装置及び方法を提供することによって上述の要求に対処する。（ここで、レンダリングとはソフトウェアプログラムの手段によってモデルから画像を生成する処理のことである。また、本願において、モデルは三次元の対象物のことを意味するが、生成された画像は二次元の構成要素グラフィック端末上に表示される。）本発明は空中でのレーダー像システムの有用性に大きな改善をもたらす。本発明の説明としての実施例はパイロットの視点からの、解釈が容易なレーダー像を与えるためにデータ収集法とレンダリング技術を最適に融合する。

概略的に言うと、本発明のレーダー像システムは表面セルの位置（角度走査における各ステップに対するエコーの領域）の直接的な測定のため、及び各セルからのエコー（または、反射）の大きさの直接的な測定のために３Ｄレーダー走査（距離、方位、及び高度）を利用する。各点に対する３つの全ての寸法の利用可能性は全てのデータのデカルトフレーム（Ｘ,Ｙ水平面及びＺ垂直寸法）への変換を可能にする。エコー（または、反射）を生ずる全てのセルのＸ,Ｙ座標は周知の三角測量アルゴリズムによって三角形を形成する線によって接続され、それによって検出された表面を描画する三角形の３Ｄ「メッシュ」を生成する。

そして、各三角形の３つの頂点の、レーダーによって決定された幾何学的配置に基づいて三角形の表面にグレースケール陰影及び／またはカラーリングが加えられる。グレースケール陰影またはカラーリングの輝度はレーダーエコー信号（または、レーダー反射信号）の大きさ（または、振幅）に基づく。これの結果は検出された表面を近似している、色付け及び／または陰影付けされた三角形の配置または配列を備える（二次元ディスプレイ上の）シミュレートされた、または「描画された」三次元表面である。そして、各色またはグレースケール陰影の値はレーダーエコーの振幅の関数である。

いくつかの用途においては、奥行感覚及び隆起線検出を改善するために、所望の視点からの距離に基づいて三角形の色または陰影が重み付けされてもよい。そして、３Ｄ表面を所望の斜視図（例えば、パイロットの座席から胴体の参照線を見たときの斜視図）に変換するために商業上入手可能なソフトウェアパッケージが使用されてもよい。

データの取得は正確な地形学的情報を得るためにリアルタイムの地形の走査及び測定を利用する。この走査及び測定技術は目的領域の垂直方向の対象物の位置を特定し、それをマッピングするためにレーダーとナビゲーションのデータを組み合わせる。利用されるグラフィックアニメーション処理は多くの場合パイロットの視点である、所望の視点からの再構成された画像の提示を可能にする。パイロットの視点からの地形の視野は提示された画像の最も容易な解釈を可能にする。システムによって利用されるレンダリング技術は真に迫った３Ｄ画像を与えることによってシステムの有用性をさらに増大させる。改善された画像品質は、部分的に、より詳細かつ精密な垂直方向の情報から得られる。結果的により自然な画像が得られ、それによって人間による解釈を容易にする。

本発明のレーダー像システムは距離、方位、及び高度のデータ成分を有する三次元（３Ｄ）レーダー走査を利用する。データは表面セルの位置、角度走査における各ステップに対するエコーの領域、及び該セルからの該エコーの振幅（または、大きさ）の直接的な測定によって得られる。各点に対する３つの全ての寸法の利用可能性は全てのデータのデカルトフレーム（Ｘ,Ｙ水平面及びＺ垂直寸法）への変換を可能にする。エコー（または、反射）を生ずる全てのセルのＸ,Ｙ座標は三角形を形成する線によって接続され、それによって（従来技術を使用して）図５−７に示されているような、検出された表面を描画する三角形の３Ｄ「メッシュ」を生成する。

上で簡単に説明したように、検出された表面モデルは直線上の縁を有する隣接する三角形の領域の配置または「メッシュ」を備える。ディスプレイ装置上で（主にレーダービームの幅によってもたらされる位置に対する不確定性を有する）三角形の頂点を接続するために直線を使用することにより、例えば、レーダービームの幅に対応する、重なり合った円のモザイクに比べて改善した解像度を有することができる。距離解像度効果は改善した垂直方向の解像度を与えるので、この効果は主に水平方向の寸法に影響を与える。

レンダリング処理中、各頂点の３Ｄ位置から得られる情報（高度、距離、傾斜等）に基づいて三角形表面のグレースケール陰影またはカラーリングが加えられる。また、全てのエコーの振幅を画像平面に投射することによって従来の二次元（Ｘ,Ｙまたは水平面）レーダー像が形成される。二次元エコー振幅データは三角形表面のグレースケールまたは色の輝度を調節するテクスチャーマップを生成するために使用され、それによって単一の三角形内の複数の距離解像度セルから付加的な情報を取得することができる。結果として得られた画像は以下の３つの重要な特徴を有する。レーダーによって測定された地形の幾何学的配置に基づいた三角形から生成される全体的な（輪郭的な）形状。各三角形を画定する３つの頂点の位置から抽出されるパラメーターに基づいた個々の三角形領域の色またはグレースケール陰影。そして、レーダーエコー信号の振幅に基づいた各三角形のグレースケール陰影またはカラーリングの輝度。いくつかの用途においては、奥行感覚及び隆起線検出を改善するために、所望の視点からの距離に基づいて三角形（グレースケールまたは色）が重み付けされてもよい。そして、３Ｄ表面を所望の斜視図（例えば、パイロットの座席から胴体の参照線を見たときの斜視図）に変換するために商業上入手可能なソフトウェアパッケージが使用されてもよい。

上述の３Ｄレーダー像レンダリング方法はリアルタイムで測定されたパイロットの視点からの仰角に基づいた画像を与え、それによって該仰角が事前に生成された画像において正確に現れることを確証する。レーダーの仰角解像度とは対照的に、レーダー画像の垂直方向の解像度はレーダーの距離解像度によって決定され、結果として得られる垂直位置はリアルタイムの直接的な角度測定に基づいている。画像の視点からの幾何学的配置変数の使用は均一な表面からの反射功率の影響の最小化を援助し、反射功率及び放射功率を利用する人間の視覚の擬態を容易にする。

図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂは本発明の３Ｄレーダー像レンダリングシステムの操作環境を示している。航空機１０はＵ次元１４及びＶ次元１５を有する画像面１６に対する視野を走査するレーダービーム１２を送信するレーダー送信機システムＲ（図１Ｂ参照）を備えている。視野は方位走査角１１及び高度走査角２１によって規定されている。送信されたレーダービーム１２は方位走査角１１及びレーダービーム１２の両方より狭いビーム幅を有する。送信機Ｒは地形エコー２３（図１Ｂ、２Ｂ）を有する照射された地形領域１７内に画定される各距離解像度セル２６（図２Ａ）に対して、ビーム１２内で照射された対象物（垂直方向の対象物１３及び地形表面２２等）のレーダー反射率に比例する範囲でレーダーエコー信号を受信する。図１Ａにおいて、ビーム１２によって照射される可能性がある領域は数値１８で示されており、垂直方向の対象物１３によって陰にされる領域は数値１９によって示されている。一般に、航空機１０の真下には対象物が存在せず、そして地形表面２２に対する距離より大きな距離で受信されるエコーは存在しないので（地形表面２２の下からの反射は存在しないので）、非ゼロのエコーを含む距離解像度セルは非常に少ない。

図２Ａ及び２Ｂは単一のビーム位置によって照射される領域１７の分解図であり、複数の距離における複数の振幅サンプルを図示している。各アンテナ位置に対し、地形または対象物に対する単一の距離が推定されるか、または単一の点が決定される。単一の点は高度解像度２４における仰角、方位解像度２５における方位角、及び選択された単一の距離解像度セル２６から成る距離推定値２７によって規定される。

図３は本発明の好まれる実施例に従った画像レンダリングシステム１００の主要な機能／処理モジュールを示している。レンダリングシステム１００は４つの機能サブシステム：レーダー信号処理サブシステム１０１；地形幾何学的配置処理サブシステム１０２；地形画像処理サブシステム１０３；及び、グラフィックライブラリーサブシステム１０４を含む。

レーダー信号処理サブシステム１０１はレーダー信号処理及びデータ整理を実施する。この処理は均一の表面からのエコー信号振幅の変動の縮小、大きな振幅のエコー信号の選択、及びデータ量を縮小するための範囲抹消を行うために利用される周波数ダイバーシティーを含む。異なった周波数で生成された送信からの、未加工のレーダーエコー信号の振幅は最初にアンテナビーム位置が１つの角度ステップに存在する時間に相当する時間間隔にわたって平均化され、そして各距離解像度セルにおける平均化されたエコーは無視できるエコー振幅を含む範囲ビンを無視するために処理される。データはさらに、振幅をグレージング角条件（長距離及び低高度の角度）の下で複数の範囲ビンにわたって結合することによって圧縮される。この操作は範囲抹消と呼ばれる。平均化及び抹消化された範囲サンプルは地形幾何学的配置処理サブシステム１０２及び地形画像処理サブシステム１０３に供給される。

地形幾何学的配置処理サブシステム１０２は地形の幾何学的配置を計算する。地形幾何学的配置処理サブシステム１０２は２つの基本的な出力：レーダーの視野内の地形表面の空間配置を特徴付ける三角形の３Ｄメッシュ；及び、該地形表面上で検出された対象物（点）のリストを生成する。

レーダーのデータは視野のラスター走査において各角度ステップ（方位及び高度）に対して時間に対する振幅として入力される。地形がレーダービームによって照射される各角度ステップに対してノイズ及びアンテナの副ローブを介したエコーを無視することにより、特定の範囲の間隔にわたって非ゼロエコーが受信されるだろう。地面（すなわち、地形表面２２）の方向に向いていないビーム方向に対し、地面エコーは受信されないが、地形表面上の対象物（例えば、垂直方向の対象物１３）からのエコーは受信される可能性がある。走査期間中に検出された地形表面の各点の座標はグラフィックツールがテクスチャーを適用することを可能にするために水平面上に規定され、検出された各点の座標及び関連するＩＤ番号を備える「頂点リスト」が構成される。水平面内の各解像度セルは単一の地形点のみを有することができる（張り出した崖等は無視される）。水平面上で検出された最低点は地形点として宣言され、これより高い高度値を有する他の点は対象物点として宣言され、「対象物リスト」に入れられえる。頂点リスト（地形点）のエントリー（または、入力値）は周知の「ドローネー」原理または「ドローネー」三角測量を使用して三角形を形成することによって点の水平方向の座標で実施される三角測量アルゴリズムに入力される。三角測量アルゴリズムの出力は各三角形の３つの頂点を特定する頂点リストから作成される３つの組のリストである。

地形画像処理サブシステム１０３は地形画像輝度マップを生成する。地形画像パスはレーダーエコーの振幅に基づいて３Ｄレーダー像を生成する。

グラフィックライブラリーサブシステム１０４は、例えば、Seaweed Systems, Inc.（www.seaweed.com）によって販売されているOpenGL interactive 3D and 3D graphics application programming interface等の、商業上入手可能なグラフィックライブラリーソフトウェアパッケージであってもよい。このプログラムは表面幾何学的配置を画定している三角形の３Ｄメッシュ、頂点に対する色及び／またはグレースケール値（各頂点の３Ｄ位置から抽出された情報）、三角領域に対する輝度を規定するテクスチャーマップ（３Ｄ振幅に基づいたテクスチャーマップ）、及び位置及び視点の方向を受信し、画像の斜視図を画定する。グラフィックライブラリー１０４は通常、毎秒１つのレートでこれらの入力を受信する。そして、それは三角表面領域にわたって頂点の値を融合または平滑化することによって地形の幾何学的配置モデル表面に色付けまたは陰影付けし、輝度マップごとに表示輝度を調節する（各三角小面内の色または陰影及び輝度の両方における変化）。輝度はレーダーエコー信号の振幅に基づく。また、画像の任意の場所には、地形画像に対象物（地形表面上のレーダーエコー）を加えるために使用される特徴である、点及び／または他の形状が加えることができる。生成された地形モデル画像は通常、パイロットの基準位置である、所望の視点からの斜視図として提示される。出力画像は移動するプラットフォームからのリアルタイムの画像を与えるために通常、数十ヘルツで更新される。

上述の機能サブシステム１０１−１０４の機能は複数のサブ機能モジュールによって実施されてもよい。それらは従来のアルゴリズムであり、各サブ機能を実施するためのアルゴリズムについての説明は省略する。これらのアルゴリズムは当業者にとって容易に決定され、作成されることができるだろう。したがって、それらのアルゴリズムによって与えられるサブ機能はそれらの対応するモジュールによって特定される。各サブ機能は予め決められた反復レートで実施される。これらのレートは：
パルス式レーダーに対してｃ／δＲで定義されるレートｒ₁（ここで、ｃは光速であり、δＲはレーダーの距離解像度である）；
パルス式レーダーの反復期間または周波数変調連続波レーダーに対するドウェル時間によって決定されるレートｒ₂；
更新間隔を平均化することによって決定されるレートｒ₃（複数のｒ₂期間）；
空間走査レートであるレートｒ₄；及び、
表示の更新レートによって決定されるレートｒ₅である。

図４を参照すると、レーダー信号処理サブシステム１０１はアナログ−デジタル変換モジュール１０５、データ平均化モジュール１０６、及び信号選択モジュール１０７を含む。アナログ−デジタル変換モジュール１０５はアナログのレーダーデータをさらなる処理のためにデジタル形式に変換する。処理レートはｒ₁である。データ平均化モジュール１０６は変換モジュール１０５からデジタル化されたレーダーデータを受信し、各角度ステップ期間のデータ平均化を実施する。個々の解像度セルからの平均化エコーは異なったレーダー周波数からのエコーの使用を可能にし（周波数ダイバーシティー）、それは均一な対象物の異なった領域からのエコーの振幅の変動を減少させる効果を有する。この方法は画像生成において人間の目によって収集される受動的なエネルギーをより密接に再現する。平均化はまた、処理しなければならないデータサンプルの数を縮小し、データレート及びプロセッサーの負荷を減少させる。上述した範囲抹消はデータレート及びプロセッサーの負荷をさらに減少させる。この計算の処理レートはｒ₂である。信号選択モジュール１０７はさらなる処理のために最大のエコー信号を選択する。この計算の処理レートはｒ₃である。

地形幾何学的配置処理サブシステム１０２は複数のサブ機能モジュールを含む。第１のモジュールは、地形がレーダービームによって照射される各角度ステップに対してレーダー信号処理機能１０１から受信されたレーダーデータから地形までの距離の推定計算を実施する距離推定モジュール１０８である。この計算の処理レートはｒ₃である。

距離フィルターモジュール１０９はレーダービームがその時に向けられている地形表面の点の距離、方位、及び高度の座標を導き出すために推定された距離の値と予期される距離の値を組み合わせる。推定された距離データは距離推定モジュール１０８から得られるのに対し、予期される距離の値は、後で説明する距離予想モジュール１１３から得られる。距離フィルターモジュール１０９の処理レートはｒ₃である。

地形モデル座標変換モジュール１１０はレーダーデータ（方位、高度、距離）、航空機の位置（緯度、軽度、高度）、及び航空機の姿勢（進行方向、ピッチ、ロール）を受け取り、そして地形モデル座標システムにおける３つの次元Ｘ,Ｙ,Ｚ位置を計算する。この処理はまた、テクスチャーマップＵ,Ｖ座標を計算するためにＸ,Ｙ,Ｚ位置座標を画像面に投射することを含む。（Ｕ,Ｖ座標は標準化かつ正規化された値であり、グラフィックライブラリー１０４がテクスチャーマップを地形表面に正確に登録することを可能にする。）この計算の処理レートはｒ₃である。

地形試験モジュール１１１は幾何学的地形（他の点の上に張り出す点を含まない）を画定する点のサブセットを分離する、すなわち、他の点から頂点リスト及び対象物リストを分離するために３Ｄ点の組を走査する。対象物リストはグラフィックライブラリー１０４への入力のために点及び／または形状の組に変換される。地形試験モジュール１１１はグラフィックライブラリー１０４に頂点のリスト及び対象物データを出力する。

図２Ａを再び参照すると、単一のビーム位置によって照射された領域の拡張図は実際のレーダーパラメーターに対して、距離解像度は方位または高度アンテナビームによって課される解像度よりも大幅に優れた解像度を与えることを示している。レーダーの振幅データから得られたテクスチャーマップの表面へのマッピングによる地形幾何学的配置モデルの輝度の調節はビームの高度幅によって得られるものとは対照的な、距離解像度によって与えられる垂直方向の解像度に対する大きな改善を維持するための計算上効率的な機構を与える。各ビーム位置内の複数の範囲セルは単一の高度ビームサンプル内で補間を与えるための手段と見なすことができる。図２Ｂは主要なビームが地面に交差する領域を示している。アンテナビーム幅内の細線は垂直方向の解像度の改善を表している。この計算の処理レートはｒ₄である。

図４を再び参照すると、３Ｄ三角測量モジュール１１２は文献によって開示され当業者に周知のアルゴリズムをリアルタイムに実施する。このアルゴリズムの適当な例は「A Sweepline Algorithm for Voronoi Diagrams」Algorithmica 第２巻、１５３−１７４頁（１９８７年）に開示されており、その内容は本願に参照として組み込まれる。三角測量モジュール１１２は宣言された地形の点を地形試験モジュール１１１からの入力として受け取り、そして三角形を形成するために隣接する点を接続することによって点の水平方向の座標を操作する。この処理の出力は各三角形の３つの頂点を特定する頂点リストからの３つの組のリストである。この計算の処理レートはｒ₄である。

距離予想モジュール１１３はナビゲーションシステム（ＧＰＳ／ＩＮＳ等）によって供給されるその時の位置を座標変換モジュール１１４によって与えられる最新の地形モデルと組み合わせることによって予想される距離を計算する。この計算の処理レートはｒ₃である。座標変換モジュール１１４は地形試験モジュール１１１（頂点リスト）及び三角測量モジュール１１２（頂点３つの組または三角形リスト）から受信された地球固定式の座標における地形幾何学的配置モデルへの座標変換を与える。距離予想モジュール１１３は現在の座標に以前の地形モデルを受信し、そして現在の距離の推定値をさらに精密にするために使用される距離の予想値を計算する。この計算の処理レートはｒ₄である。

加算モジュール１１５は実際の位置を表すためにＧＰＳ／ＩＮＳナビゲーションシステムによって供給された位置データに遠近法におけるオフセットを加える。

地形画像輝度機能１０３は画像変換モジュール１１６、振幅加算モジュール１１７、及び輝度マッピングモジュール１１８を含む。画像変換モジュール１１６は移動するレーダー座標システムからの各レーダーエコーの位置を地球固定式フレームに変換し、そして（加算モジュール１１７を介して）全てのデータを地球固定式座標システム（画像フレーム）の水平方向領域に投射する。この計算の処理レートはｒ₃である。

輝度マッピングモジュール１１８はグラフィックツールによって使用されるテクスチャーマップを形成する。現在のレーダー走査によって照射される、画像面１６の照射された領域１７（図１Ａ及び１Ｂ）は２ⁿ及び２^mビンに分割される。各ビン上の全てのエコーのレーダーエコー信号の振幅は加算され、単一のビンに投射される。振幅加算モジュール１１７及び輝度マッピングモジュール１１８に対する処理レートはそれぞれ、ｒ₃及びｒ₄である。

グラフィックモジュール１０４は上で簡単に説明されたように、実際の画像レンダリングを実施する。地形を画定している入力は、各頂点に対する色またはグレースケールの対応する値を有する三角形（頂点及び三角形リスト）の３Ｄメッシュ、及び輝度を規定するテクスチャーマップを含む。対象物の入力は点またはもう１つの独立した頂点／三角形のリストの形式であってもよく、地形表面上に描かれる３Ｄ表面を生成する（視野方向に対して垂直方向を向いた、張り出した紙のシートに類似）。画像の斜視図は位置及び視野の方向によって規定される。レンダリング処理中、レーダーエコー信号の振幅から得られた輝度とともに各三角形領域にわたって頂点に割り当てられた値を融合させることによって三角形の表面に陰影付けまたは色付けが加えられる。結果として生ずる画像は検出された表面を近似する三角形から成る３Ｄ表面であり、各三角形内のグレースケールまたは色は頂点の高さまたはもう１つの幾何学的関係（例えば、画像の視点からの距離）に基づいて３つの頂点に対して計算された値に適合するように変化させられ、輝度はレーダーエコー信号の振幅とともに変化されられる。いくつかの用途においては、奥行感覚及び隆起線検出を改善するために、所望の視点からの距離に基づいて三角形（グレースケールまたは色）が重み付けされてもよい。グラフィックモジュール１０４は３Ｄ画像を所望の斜視図（例えば、パイロットの座席から胴体の参照線を見たときの斜視図）に変換するために使用される。図８−１１は航空機１０のビデオディスプレイ画面２００に表示されたレンダリング処理の結果を図示している。

３Ｄレーダー画像レンダリングシステムはリアルタイムで測定されたパイロットの視点からの仰角に基づいた画像を与え、それによって該仰角が事前に生成された画像に正確に現れることを確証する。レーダーの仰角解像度とは対照的に、レーダー画像の垂直方向の解像度はレーダーの距離解像度によって決定され、結果として得られる垂直位置はリアルタイムの直接的な角度測定に基づいている。

レーダーエコーに加えて、画像の視点からの幾何学的配置、高度、及び距離を使用することは均一な表面からの反射功率のレベルの変動を最小にすることを援助する。この幾何学的配置データはレーダーデータからの失われた放射功率を補うために使用され、したがって、放射功率及び反射功率の両方を利用する人間の視覚のより正確な擬態を容易にする。さらに、本発明はレーダーアンテナビーム幅に関連する固定寸法式の角張ったピクセルの使用とは対照的に、反射表面上の点の間の三角形の辺を描くことによって実現され、画像の解像度を大幅に改善する。

地形データを収集するために視野を走査するレーダーを備えた航空機を図示している。 レーダー走査の単一のステップによって照射される領域（１つのビーム位置）の分解図を示している。 本発明に従った空中からの３Ｄレーダー像レンダリングシステムの構築上のブロック図である。 本発明に従った空中からの３Ｄレーダー像レンダリングシステムの主要な機能／処理ブロックを示している流れ図である。 検出された表面を描画している線によって形成された三角形のＸ,Ｙ「メッシュ」を示している。 同一の表面を異なった視点から見たときの、２つの三角形の３Ｄメッシュの１つを示している。 同一の表面を異なった視点から見たときの、２つの三角形の３Ｄメッシュの１つを示している。 ビデオディスプレイ上に示された表面のワイヤーフレーム画像を示している。 幾何学的配置のみに基づいて埋められた三角形によって図７に示されている表面をレンダリングした画像である。 幾何学的配置及びレーダー振幅に基づいて埋められた三角形によって図９に示されている表面をレンダリングした画像である。 図１０に示されている表面をモノクロでレンダリングした画像である。

符号の説明

１０ 航空機
１１ 方位走査角
１２ レーダービーム
１３ 垂直方向の対象物
１４ Ｕ次元
１５ Ｖ次元
１６ 画像面
１７ 地形領域
１８ 潜在的な照射領域
１９ 陰にされる領域
２１ 高度走査角
２２ 地形表面
２３ 地形エコー
２４ 高度解像度
２５ 方位解像度
２６ 距離解像度セル
２７ 距離推定値
１００ 画像レンダリングシステム
１０１ レーダー信号処理サブシステム
１０２ 地形幾何学的配置処理サブシステム
１０３ 地形画像処理サブシステム
１０４ グラフィックライブラリーサブシステム
１０５ デジタル変換モジュール
１０６ データ平均化モジュール
１０７ 信号選択モジュール
１０８ 距離推定モジュール
１０９ 距離フィルターモジュール
１１０ 地形モデル座標変換モジュール
１１１ 地形試験モジュール
１１２ 三角測量モジュール
１１３ 距離予想モジュール
１１４ 座標変換モジュール
１１５ 加算モジュール
１１６ 画像変換モジュール
１１７ 振幅加算モジュール
１１８ 輝度マッピングモジュール

Claims (25)

1. 航空機で使用するためのレーダー画像ディスプレイを有するレーダーシステムにおいて、該画像ディスプレイ上に地形表面の三次元描画画像を生成するための方法であって：
   地形表面の領域を照射するために該レーダーシステムから送信されるレーダービームによって該地形表面を走査すること；
   照射された各領域から、各照射された領域の方位、高度、及び距離を示すデータを有するレーダーエコー信号を受信すること；
   前記エコー信号中のデータをＸ,Ｙ,Ｚ座標を有するデカルト座標系に変換するために該エコー信号のデータを処理すること；
   前記地形表面を表す三角形であって、各々が頂点の３つの組によって規定される三角形のメッシュを生成するために照射された各領域に対応するＸ及びＹ座標を三角測量によって測量すること；
   前記地形表面の３Ｄ描画画像を形成するために、前記３つの組の各頂点によって表される座標からのレーダーエコー信号の振幅及び前記３つの組の各頂点Ｚ座標の値に基づいて、グレースケール陰影情報及びカラーリング情報のうちの少なくとも１つから成る群から選択される３Ｄ画像情報を前記メッシュの各三角形に加えること；及び、
   前記３Ｄ描画画像を前記画像ディスプレイ上に表示することのステップを含む方法。
2. 前記処理ステップが特定の時間間隔にわたって異なった周波数でされた送信からのレーダーエコー信号の振幅を平均化することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記レーダーエコー信号が振幅に基づいて対応する範囲ビンに割り当てられており、前記処理ステップが無視できるエコーの振幅を表す範囲ビンに割り当てられたエコー信号を無視すること、及び長距離及び低高度の角度を示す振幅に対応する範囲ビンに対応する振幅を組み合わせることを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記三角形のメッシュが地形表面を特徴付け、前記レーダービームによって前記地形表面上で検出された対象物のリストを生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 三角測量ステップが各頂点におけるレーダーエコー信号の振幅に基づいて二次元画像を含む地形画像輝度マップを生成する、請求項１に記載の方法。
6. 前記三角形のメッシュが地形表面の幾何学的配置を画定し、前記３Ｄ画像情報が色情報であり、前記３Ｄ画像情報を加えるステップが前記三角形の各々に対する色及び輝度を規定するためにテクスチャーマップを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記三角形のメッシュが地形表面の幾何学的配置を画定し、前記３Ｄ画像情報がグレースケール情報であり、前記３Ｄ画像情報を加えるステップが前記三角形の各々に対するグレースケール及び輝度を規定するためにテクスチャーマップを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記３Ｄ描画を表示するステップが高さ及び距離のうちの少なくとも１つから成る群から選択されるパラメーターに基づいて各三角形を色付けまたは陰影付けすること、各三角形内の表示輝度を調節すること、及び予め定義された参照位置から画像を提示することのステップを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記３Ｄ情報を加えるステップが各三角形を画定する頂点に割り当てられる座標の値を融合すること、及びレーダーエコー信号の振幅を示す輝度の値を与えることを含む、請求項１に記載の方法。
10. 所望の視点からの距離に基づいて各三角形に対する３Ｄ画像情報を重み付けするステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 地形表面を照射するためにレーダービームを送信し、該地形表面からレーダーエコー信号を受信するレーダーシステムにおいて、
    該地形表面の幾何学的配置を表す全体的な形状上に画定される隣接する三角形の配置を備える、二次元画像ディスプレイ上に表示される前記地形表面の３Ｄ描画レーダー画像であって、該三角形の各々が色及びグレースケール陰影のうちの少なくとも１つから成る群から選択される視覚上の３Ｄ画像情報を含み、そして
    各三角形の該３Ｄ画像情報がレーダーエコー信号の振幅を示す輝度とともに表示される３Ｄ描画画像。
12. 前記三角形の各々が３つの頂点によって画定され、該三角形の各々が地形表面上の幾何学的点に対応する座標の固有な組を表す、請求項１１に記載の３Ｄ描画画像。
13. 前記３Ｄ画像情報が前記地形表面上の垂直方向の対象物を示す情報を含む、請求項１１に記載の３Ｄ描画画像。
14. 各三角形の前記３Ｄ画像情報が各三角形の頂点の位置から抽出されるパラメーターに基づいている、請求項１２に記載の３Ｄ描画画像。
15. 前記パラメーターが前記レーダービームによって走査された地形表面に対する距離、方位、及び高度を含む、請求項１４に記載の３Ｄ描画画像。
16. 前記三角形の前記３Ｄ画像情報が前記レーダーエコー信号によって決定される地形表面の幾何学的配置に基づいている、請求項１１に記載の３Ｄ描画画像。
17. 前記３Ｄ画像情報の輝度が前記レーダーエコー信号の振幅の二次元画像面への投射を示し、各三角形の前記３Ｄ画像情報の輝度を調節するテクスチャーマップを生成するためにエコー信号の振幅を示すデータが使用される、請求項１１に記載の３Ｄ描画画像。
18. 各三角形の前記３Ｄ画像情報の輝度が地形表面に対する所望の視点からの距離を表す、請求項１１に記載の３Ｄ描画画像。
19. 請求項１に記載の方法によって作成された３Ｄ画像情報。
20. 画像ディスプレイ上に地形表面の画像を３Ｄ描画するためのシステムであって：
    アナログレーダーエコー信号を処理されたデジタルエコー信号に変換するエコー信号処理サブシステム；
    該処理されたデジタルエコー信号を受信し、レーダーの視野内で地形表面の空間配置を特徴付ける三角形であって各々が３Ｄ画像情報を含む三角形の３Ｄメッシュを画定するデータを生成する地形幾何学的配置計算サブシステム；
    該処理されたデジタルエコー信号を受信し、該処理されたデジタルエコー信号の振幅に基づいて地形画像の輝度マップを生成する地形画像輝度マップ生成サブシステム；及び、
    三角形の前記３Ｄメッシュを画定するデータ及び前記地形画像の輝度マップから３Ｄ画像レンダリングを生成するグラフィックライブラリーサブシステムを備え、
    各三角形の３Ｄ画像データが前記デジタルレーダーエコー信号の振幅を示す値から得られる輝度を有する３Ｄレンダリングシステム。
21. 前記エコー信号処理サブシステムが：
    アナログのレーダーエコー信号をデジタルエコー信号に変換するＡ／Ｄ変換機能；
    異なったレーダー周波数からのデジタルエコー信号データを平均化する信号平均化機能；及び、
    該平均化機能から受信された最大のエコー信号を選択するデータ抹消機能を備える、請求項２０に記載の３Ｄレンダリングシステム。
22. 前記地形幾何学的配置サブシステムが前記レーダー信号処理サブシステムからデータを受信し、前記地形幾何学的配置サブシステムが：
    地形までの距離の推定計算を実施する距離推定機能；
    推定された距離の値と地形表面上の選択された点の距離の予想値を組み合わせる距離フィルター機能；
    三次元地形モデル座標システム内の航空機の位置を計算し、テクスチャーマップのＵ,Ｖ座標を計算することによって地形モデル座標を画像面に投射する地形モデル座標変換機能；
    対象物を表す点のサブセットを分離するために３Ｄ点の組を走査し、三角形の頂点及び対象物データのリストを出力する地形試験機能；
    該地形試験サブシステムからの入力として地形の点を受信し、三角形を形成するために隣接する点を接続することによって地形モデル座標を操作し、そして各三角形の３つの頂点を特定する頂点リストを出力する三角測量機能；
    ナビゲーションによって供給される現在の位置を座標変換サブシステムによって供給される地形モデルに組み合わせる距離予想機能；及び、
    頂点リストから受信された地球固定式座標の地形幾何学的配置モデルを変換する座標変換機能を備える、請求項２０に記載の３Ｄレンダリングシステム。
23. 前記地形輝度マップサブシステムが：
    移動するレーダー座標システムからの各デジタルレーダーエコー信号の位置データを地球固定式フレームに変換し、そして該位置データを地球固定式座標システムの水平方向領域に投射する画像変換機能；
    グラフィックライブラリーサブシステムによって使用されるテクスチャーマップを形成する振幅加算機能；及び、
    グラフィックライブラリーモジュールによって使用されるテクスチャーマップを形成する輝度マッピングモジュールを備える、請求項２０に記載の３Ｄレンダリングシステム。
24. ＧＰＳ／ＩＮＳナビゲーションシステムによって供給された位置データに遠近法におけるオフセットを加える加算機能をさらに備える、請求項２０に記載の３Ｄレンダリングシステム。
25. 前記グラフィックライブラリーサブシステムが地形幾何学的配置サブシステム及び地形画像輝度マップサブシステムによって対象物リスト、頂点リスト、三角形リスト、テクスチャーマップ、及び遠近法におけるオフセットの形式で供給されるデータを使用して画像のレンダリングを実施し、それにより、各三角形にわたって三角形の頂点に割り当てられた値を融合することによって前記三角形に前記３Ｄ画像情報が加えられる、請求項２０に記載の３Ｄレンダリングシステム。