Czytaj całość (pobierz plik)

Szybkobiene Pojazdy Gsienicowe
(40) nr 2, 2016
Michał BUGAŁA
IMPLEMENTACJA EFEKTU NOKTOWIZJI Z WYKORZYSTANIEM
MAPY GŁBOKOCI
Streszczenie. W artykule przedstawiono metod implementacji efektu noktowizji, jaki został uyty
w generatorze obrazu Jaskier IG symulatora JASKIER. Omówiono zasad działania noktowizora oraz procesy
przetwarzania obrazu z wykorzystaniem nowoczesnych technik grafiki komputerowej. W podsumowaniu
odniesiono si do uzyskanych efektów.
Słowa kluczowe: symulator JASKIER, generator obrazu, generator obrazu Jaskier IG, noktowizja,
grafika komputerowa, przetwarzanie obrazu, rzeczywisto wirtualna.
1.
WPROWADZENIE
Noktowizja to zdolno widzenia w warunkach słabego owietlenia przy
wykorzystaniu specjalnych urzdze. Urzdzeniem umoliwiajcym widzenie w ciemnoci
jest noktowizor, który zwiksza natenie wiatła do wartoci moliwej dla obserwacji przez
ludzkie oko. Do działania noktowizora wystarczy owietlenie pola obserwacji rozproszonym
wiatłem pochodzcym od gwiazd lub ksiyca (tzw. wiatło szcztkowe), jednak
w całkowitych ciemnociach działanie noktowizora jest niemoliwe. Konieczne jest wtedy
uycie dowietlenia obiektu lub osób promieniowaniem podczerwonym, które jest widoczne
dla obserwowanych. Ze wzgldu na konieczno uycia dodatkowego ródła wiatła,
noktowizory dzieli si na:
• aktywne – wymagaj dowietlenia; maj niewielki zasig widzenia, a przede
wszystkim s łatwo dostrzegalne przez przeciwnika za pomoc ich własnych
noktowizorów;
•
pasywne – mog pracowa bez dodatkowych ródeł podczerwieni i korzystaj jedynie
ze wzmacniaczy wiatła szcztkowego [1].
Istniej róne typy i kategorie noktowizorów. Noktowizory mog wystpowa
w postaci gogli, lornetek, lunet celowniczych mocowanych do broni palnej, kamer
i peryskopów stosowanych w pojazdach. Rysunek 1 przedstawia przykładowy obraz z gogli
noktowizyjnych.
Na potrzeby generatora obrazu w symulatorze JASKIER [2] opracowano efekt
noktowizji z peryskopu, jaki znajduje si w pojazdach KTO Rosomak (rys. 2). Peryskop ten
był wykorzystywany przez polskie oddziały misyjne w trakcie walk na terenie
Afganistanu [3]. Peryskop PNK-72 Radomka zawiera dwa niezalene kanały optyczne,
w których zastosowano pasywne wzmacniacze obrazu XD4 i XR5 [4].
mgr in. Michał BUGAŁA – Orodek Badawczo-Rozwojowy Urzdze Mechanicznych „OBRUM” sp z o.o.,
Gliwice
44
Michał BUGAŁA
Rys. 1. Obraz zarejestrowany przez gogle noktowizyjne [1]
Wzmacniacz obrazu to podstawowy element noktowizora. Wykorzystuje zjawisko
fotoelektryczne zewntrzne, które polega na zamianie pojedynczych fotonów wpadajcych
do wntrza lampy elektronowej na lawin elektronów kierowanych na ekran. Noktowizor
nie pozwala rozrónia barw obserwowanych obiektów, dlatego wszystkie obiekty maj na
ekranie jednakowy kolor (zwykle zielony), a szczegóły mog by rozróniane tylko na
podstawie ich jasnoci [5].
Rys. 2. Peryskop PNK-72 Radomka [4]
Implementacja efektu noktowizji z wykorzystaniem mapy głbokoci
2.
45
IMPLEMENTACJA EFEKTU NOKTOWIZJI
Wiedza na temat działania i pracy noktowizora, umoliwiła podjcie próby
zasymulowania efektu noktowizji w rodowisku graficznym, które udostpnia programowanie
procesów graficznych (GPU). Do przetwarzania obrazów w grafice trójwymiarowej uywa si
krótkich programów, tzw. shaderów, które napisane s w specjalnych jzykach cieniowania
i w zalenoci od wykorzystanych narzdzi mog one mie rón posta [6]. Rysunek 3
przedstawia shader generujcy szum w silniku Unreal Engine.
Rys. 3. Przykładowy shader generujcy szum w silniku Unreal Engine
Wyjanieniu działania shaderów, ich ogranicze i zalet, naleołoby powici seri
artykułów, dlatego nie zostan przedstawione wykorzystane kody ródłowe shaderów, a jedynie
rezultaty ich działania.
Obraz przykładowej sceny nocnej z generatora obrazu Jaskier IG (rys. 4) został
przetworzony za pomoc technik kocowych (ang. post-processing) dobranych empirycznie.
Przetworzenie obrazu za pomoc techniki zwikszenia natenia kolorów, koloryzacji (zielony)
i dodania ziarnistoci (szumu), nie przyniósł jednak zakładanego rezultatu z powodu braku
wiatła tła na obiektach po prawej stronie sceny (rys. 5). Brak widocznych obiektów po prawej
stronie sceny jest spowodowany uproszczeniami, jakie stosuje si w grafice komputerowej
i zerow wartoci kolorów (kolor czarny) w tym obszarze. Oczywicie moliwe jest
zwikszenie natenia wiatła w taki sposób, aby owietli wszystkie obiekty, jednak
w przypadku generatora obrazu, w którym natenie wiatła jest lub powinno by sterowane
przez symulator, nie jest poprawnym rozwizaniem.
46
Michał BUGAŁA
Rys. 4. Przykładowa scena nocna
Rys. 5. Zwikszenie natenia kolorów, koloryzacja i szum (ziarnisto)
Metoda przetwarzania obrazu musiała zosta wykonana z wykorzystaniem mapy
głbokoci1, tzn. dodatkowej tekstury, która w skrócie zawiera informacj o geometrii sceny
bez kolorów i wiatła - mapa głbokoci jest macierz pikseli obrazu zawierajc
współrzdn Z (rys. 6).
1
Moliwo tworzenia efektywnej mapy głbokoci pojawiła si wraz z dodaniem obiektu "Framebuffer
Object" do API OpenGL w roku 2008 [7] oraz obiektu "DepthStencilState" do alternatywnego API DirectX.
Implementacja efektu noktowizji z wykorzystaniem mapy głbokoci
47
Rys. 6. Mapa głbokoci
Mapa głbokoci ma obecnie bardzo szerokie zastosowanie w grafice komputerowej
i moe by wykorzystywana, na przykład, w technikach implementacji cieni, zamglenia,
rozmazywania głbi [6]. Wszystkie procesy przetwarzania obrazu, symulujce efekt
noktowizji, przedstawia tablica 1. Kocowy rezultat działania medody widoczny jest na
rysunku 7.
Rys. 7. Efekt noktowizji zastosowany w generatorze obrazu Jaskier IG
48
Michał BUGAŁA
Tablica 1. Procesy przetwarzania obrazu
Lp.
Opis procesu
1
Zwikszenie
natenia kolorów.
2
Połczenie obrazu
z map głbokoci.
3
Generowanie szumu
(ziarnisto)
i połczenie
z obrazem.
4
Koloryzacja
(ziele).
Pogldowe ilustracje procesu
Rezultat procesu
Implementacja efektu noktowizji z wykorzystaniem mapy głbokoci
3.
49
WNIOSKI
Metoda implementacji efektu noktowizji, opracowana przez Centrum Symulacji
Wojskowych OBRUM, rozwizuje problem braku wiatła tła w uproszczonych rodowiskach
wirtualnej rzeczywistoci poprzez wykorzystanie mapy głbokoci. Uycie tej metody
w generatorze obrazu Jaskier IG pozwoliło uzyska obraz geometrii sceny w odległoci do 250
metrów przy całkowitym braku wiatła tła.
Opracowana metoda moe by zaimplementowana w dowolnym rodowisku
graficznym, który wykorzystuje technologi shaderów, a zasig pola widzenia moe by
modyfikowany poprzez operacje arytmetyczne wykonywane na mapie głbokoci
i dostosowany do moliwoci symulowanego noktowizora. Metod, ze wzgldu na bardzo due
moliwoci modyfikacji, mona z powodzeniem wykorzystywa w grach, systemach symulacji
lub cywilnych systemach szkoleniowych.
4.
LITERATURA
[1]
Parush A., Gauthier M., Arseneau L.: The Human Factors of Night Vision Goggles
Perceptual, Cognitive, and Physical Factors,
https://www.researchgate.net/publication/258183090_The_Human_Factors_of_Night_V
ision_Goggles_Perceptual_Cognitive_and_Physical_Factors [dostp: 20.06.2016].
[2]
Autocomp Management sp. z o.o.: JASKIER, http://acm.pl/produkty/symulatory/jaskier
[dostp: 28.03.2016].
[3]
Cielma M.: Kołowy transporter opancerzony Rosomak, Dziennik Zbrojny
http://dziennikzbrojny.pl/artykuly/art,5,20,8,wojska-ladowe,wozy-opancerzone,kolowytransporter-opancerzony-rosomak [dostp: 6.02.2016].
[4]
PCO S.A.: Peryskop noktowizyjny kierowcy PNK Radomka,
https://www.pcosa.com.pl/peryskopy/peryskop_noktowizyjny_kierowcy_pnk_radomka23.html [dostp: 02.16.2016].
[5]
Suchomski P.: Przetworniki obrazu, https://sound.eti.pg.gda.pl/student/tbwtrs/06TRS_Przetworniki_obrazu.pdf, [dostp: 20.06.2016].
[6]
Sydow P., Sobiesiak K.: Shadery. Zaawansowane programowanie w GLSL, ISBN:
978-8-3011-8199-4. Warszawa 2015.
[7]
Khronos Group Inc.: FrameBuffer Object, https://www.opengl.org/registry/specs/ARB/
framebuffer_object.txt [dostp: 16.02.2016].
IMPLEMENTING THE NIGHT VISION EFFECT
WITH THE USE OF A DEPTH MAP
Abstract. The article presents a method of implementing the night vision effect applied in the Jaskier
image generator of the JASKIER simulator. The operating principle of a night vision device is discussed along
with image processing procedures with the use of modern computer graphics techniques. The effects obtained are
summarised in conclusions.
Keywords: JASKIER simulator, image generator, Jaskier IG, night vision, computer graphics, image
processing, virtual reality.