Echtzeitvisualisierung von SAR-Effekten mittels programmierbarer Grafikhardware

Abstract

Für die Entwicklung neuer SAR-Systeme sowie bei der Interpretation und Auswertung von SAR-Daten sind SAR-Simulatoren wichtige Hilfsmittel. Die Berechnungszeit der SAR-Simulation spielt dabei, sowohl für viele wissenschaftliche Anwendungen als auch für die Sensorentwicklung eine eher untergeordnete Rolle. Bei der SAR-Echtzeitvisualisierung spielt die exakte Simulation eine Nebenrolle, stattdessen besteht das Ziel darin, SAR-Effekte in Echtzeit zu visualisieren. Jedoch sind damit weder neue Sensoren noch neue Konfigurationen zu simulieren bzw. zu entwickeln. Die Anwendungsbereiche liegen in der interaktiven Anwendung, z.B. bei der SAR-Auswertung, oder in der Bereitstellung simulierter Daten für automatische Mustererkennungsverfahren. Auch für die Missionsplanung oder für die Lehre und Ausbildung ist die Rechenzeit ein entscheidender Faktor.

Mittels der immer leistungsfähigeren und flexibler programmierbaren Grafikkarten können SAR-Effekte in Echtzeit visualisiert werden. Radarbilder unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von den Bildern passiver Fernerkundungssysteme. Bei der Simulation von SAR-Bildern müssen die Unterschiede in Geometrie und Radiometrie berücksichtigt werden. Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Computergrafik erlaubt eine immer realistischere Darstellung virtueller Welten. Diese Technik kann auch zur Darstellung von Radardaten benutzt werden. Hierfür sind allerdings einige Anpassungen nötig. Die durch den sogenannte Vertex-Shader der Grafikkarte dynamisch veränderten Geometrien, werden an den Pixel-Shader weitergereicht. Dieser ist für die Berechnung der Radiometrie zuständig. Durch die flexible Programmierbarkeit der Pixel-Shader können unterschiedliche Methoden zur Berechnung der Rückstreuung elektromagnetischer Wellen implementiert werden.

Die Echtzeitvisualisierung hat jedoch auch ihre Grenzen. Im Gegensatz zu der üblicherweise in SAR-Simulatoren verwendeten Ray-Tracing-Methode werden bei der auf der Grafikkarte berechneten Rasterisierung die Strahlen nicht verfolgt. Deswegen können keine Mehrfachreflexionen dargestellt werden.

SAR-Effektvisualisierung in Echtzeit eröffnet dem Nutzer eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Die Interaktivität der Simulation führt zu Verbesserungen in der Missionsplanung, der Lehre und bei der Auswertung von SAR-Daten. Die fehlenden Mehrfachreflexionen sind für viele Anwendungen irrelevant. Von der rasanten Entwicklung im Bereich der Computergrafik kann die SAR-Simulation profitieren. Der Einsatz von Grafikhardware für die SAR-Simulation ist ein neuer Ansatz, der dies ermöglicht.

SAR simulators are important tools for developing new SAR systems as well as for analyzing acquired SAR data. The time needed to calculate the simulation is not crucial for most scientific applications or in sensor design. For the real time visualisation of SAR effects the realism of the simulation is not cru-cial. It is not possible to develop new sensors using the visualisation of SAR effects only. Real time SAR simulations are useful for interactive applications, like assisting the analysis of SAR data and creating simulated data for pattern recognition applications. Furthermore, applications like mission planning, education and training require fast calculation and interactivity. However, these applications accept less accurate simulation results.

Using the more and more powerful and flexible graphics processing units (GPU), it is possible to visualise SAR effects in real time. Radar images differ in many ways from images acquired by passive sensor systems. The differences in geometry and radiometry of the SAR sensor have to be considered. Rapid development in computer graphics enables greater and more realistic visualisation of virtual worlds. GPUs can also be used for visualizing radar images. However, some adjustments are necessary. The in the vertex stage of the graphics card dynamically adapted geometry is piped into the fragment stage where pixel shaders are used to calculate the radiometry. Because of the programmability of these shaders, different models for backscattering electromagnetic waves can be implemented.

Real time visualisation used on graphics cards does have some limits. Current GPUs are based on rasterization. Unlike in ray tracing, the paths of the rays are unknown. Therefore multiple reflections cannot be visualised.

Visualisation of SAR effects in real-time offers a huge variety of new possibilities to users. Interac-tivity improves mission planning tools, as well as the analysis of SAR data. Moreover, fast and interactive visualisations offer many training and education benefits. Compared with the possibilities from the real time visualisation capability, the absence of multi-bouncing is only a minor problem. Using this new method, GPU based SAR simulations can greatly benefit from the tremendous development in computer graphics.