Brevet FR2470507A1 — publié le 19810529

La présente invention se rapporte à un filtre de codage de couleur et plus particulièrement, à un filtre de codage de couleur à utiliser avec une caméra à un seul dispositif capteur de l'image. Ces dernières années, il est devenu pratique de former un dispositif capteur de caméra de tél vision utilisant un agencement de photo-capteur; comme un agencement de dispositifs à charges couplées, au lieu des tubes capteurs d'image du type vidicon plus traditionnels On sait également former une caméra de télévision en couleur qui ne comprend qu'un seul dispositif capteur au lieu des trois dispositifs normaux, si un filtre de codage de couleur à raies est disposé à l'avant du dispositif capteur. Un tel filtre peut se composer de raies alternées de filtres du rouge, du bleu et du vert, verticalement alignées avec les photo-capteurs respectivement, bien que l'on sache que d'autres couleurs sont utilisées. Un tel filtre, quand on l'emploie avec un dispositif capteur à agencement de photo-capteurs de formation d'image statiques, pose des problèmes. En particulier, le signal de sortie de luminance a une réponse limitéeen fréquence. Par ailleurs, il peut se produire des battements et des signaux parasites (signauxpeamses développés quand un signal souhaité est traité par un système d'échantillonnage ou de modulation). Il est par conséquent souhaitable d'avoir un filtre à utiliser avec un dispositif capteur ayant un certain nombre de photo-capteurs, permettant une large réponse en fréquence dans le signal de luminance résultant ainsi que de plus faibles battements etsignaux parasites. Selon les principes de l'invention, cela est obtenu enIrévoyant un filtre comprenant des zones de couleurs alternées, o les zones du filtre sont verticalement décalées par rapport aux zones correspondantes des photocapteurs du dispositif capteur de l'image., Selon d'autres principes de la présente invention, toutes les zones de couleur ont une dimension inférieure à la dimension correspondante des photo-capteurs du dispo- sitif capteur de l'image. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 montre un filtre à raies verticales et ses signaux de sortie dans différentes conditions d'éclairement; - la figure 2 montre le spectre de fréquences à la sortie d'un filtre à raies verticales; - la figure 3 montre un filtre selon la présente invention pour un système non imbriqué; - la figure 4 montre un démodulateur à utiliser avec le filtre de la figure 3; - la figure 5. montre un filtre selon la présente invention superposé sur un agencement de photo-capteurs afin de produire des signaux imbriqués; tandis que la figure 5A montre me certaine structure- d'un agencement de photo-capteurs; - la figure 6 montre des formes d'ondes obtenues avec le mode de réalisation de la figure 5; - la figure 7 montre un autre mode de réalisation d'un filtre selon la présente invention; et - la figure 8 montre un procédé de construction du filtre de la figure 7. La figure la montre un motif typique de raies verticales 10 selon l'art antérieur, alignées verticalement avec les éléments photo-capteurs (cellules de résolution) 11 d'un dispositif capteur à l'état solide typique (non représenté). Il y a, par exemple, au total, 320 photo- capteurs (P) 11 et raies (R) 10 dans chaque ligne horizontale. Si la caméra voit un objet d'un blanc pur, il y a certaines combinaisons de l'éclairement de la scène, des réponses des filtres et des réponses du dispositif forçant les sorties de chaque photo-capteur 11 à être égales comme on peut le voir sur la figure lb. Avec un nombre typique de 320 éléments photo-capteurs horizontaux par ligne, explorés en 53 microsecondes (dans un sytème NTSC), il y aura par conséquent, dans les conditions ci-dessus de signaux de couleur égale, un signal de sortie ayant un nombre d'échantillons pendant une exploration d'une ligne, 6àuivalent à 320 divisé par 53 microsecondes.ce qui correspond à environ 6 MHz. La limite de Nyquist est égale à la moitié de cette quantité, ou environ 3 MHz, fréquence oui, si on pouvait l'utiliser, produirait en réalité une résolution de 3 MHz dans un signal de luminance dérivé des photo-capteurs 11. Cependant, si les conditions spécifiées ci-dessus ne sont pas remplies dans une zone de la scène qui est captée, c'est-à-dire s'il y a plus d'une couleur que des deux autres couleurs, ou s'il y a plus desdeux couleurs que da la couleur restante, on ne peut obtenir le signal de sortie de la figure lb0 Par exemple, s'il y a plus de rouge que de vert et de bleu, les hauteurs desimpulsions du signal à la sortie des éléments photo- sensibles derrière les éléments de couleur rouge du filtre 10 seront supérieures aux deux autres, Ces impulsions du rouge se répètent à une fréquence équivalente à 1/3 de 6 MHz, comme cela est indiqué sur la figure 1c, pour une scène de prédominance rouge. Par conséquent, il y aura un motif vertical à 2 MHz dans le signal de luminance de sortie. C'est un effet parasite intolérable et par conséquent, le signal de luminance doit traverser un filtre passe-bas ayant une coupure en dessous de 2 MHz. et l'information disponible dans la bande entre 2 et 3 MHz n'est pas utilisée, perdant ainsi 1/3 de la capacité de résolution de la pastille du capteur. Comme cela est le cas avec tous les systèmes échantillonnés, il y a un certain nombre de scènes qui provoquent des battements ou des signaux parasites tels que définis ci-dessus, dans la plupart des systèmes de caméra en couleur à surfacesou zones partagées. La figure 2 montre les porteuses principales et les battements produits par une caméra à raies verticales RGB (rouge, vert, bleu) utilisant 320 éléments photo-capteurs horizontaux par ligne. La courbe 100 montre la réponse en fréquence d'un filtre passe-bas optique utilisé dans le trajet optique devant le filtre de couleur. La courbe 101 montre la réponse en fréquence du canal de luminance. Un signal à 2MHz provoqué par l'effet décrit ci-dessus apparait dans le spectre comme cela est indiqué par la ligne 12 et ce signal, en effet, agit comme une "porteuse-" de couleur avec la lumière colorée et reçue, ainsi la lumière reçue bat contre elle, rendant possible la présence du lieu de signaux parasites possibles tels que définisci- dessus, comme cela est illustré par la courbe 14. On peut voir que des battements se produisent dans le signal de luminance (ce qui est indiqué par la zone ombrée 15) du fait du lieu de signaux parasites possibles 14. La courbe 16 montre le signal de chrominance après son passage à travers un filtre passe-bas électrique ayant une fréquence de coupure de 0,5 MHz. On peut voir que le lieu 14 peut également être en battement avec ce signal de chrominance- dans un démodulateur de chrominance, provoquant les battements indiqués par la zone ombrée 17 (en 15 sont indiqués les battements de luminance de scènesen couleur sur large bande et en 17 sont indiquée les battements de couleur des scènes de luminance à haute fréquence, la réponse étant indiquée en ordonnée). La figure 3 montre, en traits pleins, les contoûrs des éléments photo-sensibles 18 d'un dispositif de forma- tion d'une image à l'état solide ou statique. Les éléments 18 sont carrés et mesurent environ 30 g de côté. Les lignes en pdhtillés montrent que les éléments de filtre de couleur 20 (R, G, B pour rouge, bleu et vert) sont de natire rectangulaire. Les éléments 20 ont la même hauteur que les éléments photo-capteurs mais n'ont que 2/3 de leur largeur, c'est-à-dire qu'ils ont 20 l de large. Ainsi, en direction horizontale, trois éléments de couleur 20 ont la même largeur que deux éléments photo-sensibles 18. Une ligne sur deux des éléments 20 est décalée d'un élément de couleur, bien que des décalages de plus ou moins d'un élément puissent être utilisés, Par exemple, les éléments de couleur entre les lignes 120 peuvent être déca- lés sur des lignes alternées de moins de la largeur d'un élément de couleur. Cela a pour résultat que le signal électrique à la sortie d'un élément photo-capteur donné n'est pas simplement celui dé à la couleur de la scène vue qui passe par un élément de filtre de couleur unique du rouge, du bleu ou du vert, mais une combinaison. La contribution de chaque couleur est en rapport à la propor- tion de la zone ou surface de l'élément photo-capteur qui est couverte par chaque couleur particulière. Ainsi, le phuto-capteur gauche supérieur aura, à son signal de sortie, 2/3 de vert et 1/3 de bleu tandis que le photo- capteur suivant vers la droite aura 1/3 de bleu et 2/3 de rouge, pour former son signal de sortie. Comme il est souhaitable d'avoir une résolution pour des signaux purs du rouge, du bleu et du vert, les signaux de sortie de groupes de trois photo-capteurs seront normalement suffisants pour atteindre cela. Cependant, les signaux de sortie de groupesde quatre peuvent être utilisés, ce qui simplifie le décodage. L'agencement de la figure 3 produira également un signal de "porteuse" comme sur la figure la, mais à 3 MHz. Un filtre est requis pour éliminer la porteuse. Comme ce filtre peut être à 3 MHz plutôt qu'à 2 MHz comme dans l'art antérieur, on obtient une amélioration de la largeur de bande et par conséquent de la résolution horizontale, de 50%. La figure 4 montre un décodeur à utiliser avec le filtre et le moyen de formation de l'image à l'état solide ou statique de la figure 3. Le signal à la sortie du moyen de formation de l'image est appliqué à une borne d'entrée 22. Une partie du signal est appliquée à un filtre passe- bande 24, dont la fréquence centrale est à 3 MHz et dont la bande passante est de 1/2 MHz de chaque côté de celle-ci. Le signal à la sortie du filtre 24 est appliqué à un démodulateur équilibré 26, qui reçoit également un signal de référence sinusoïdal à 3 MHz. Ce signal est dérivé du signal d'horloge horizontale appliqué au moyen de formation de l'image. Le signal à la sortie du démodula- teur 26 est appliqué à un filtre passe-bas 28 ayant une fréquence de coupure de 1/2 MHz. De là, le signal est appliqué à une ligne à retard 30 de 1 H (une ligne hori- zontale) nécessaire, car il n'y a que deux pièces d'infor- mation de couleur disponibles sur toute ligne (1). La zone de 1/3 bleoe sur chaque photo-capteur 18 de lignes alternées A, et la zone de 1/3 rouge sur chaque photo- capteur 18 de lignes alternées C, ne produisent qu'une composante en courant continu à la borne d'entrée 22, quiest "perdue" pendant le traitement du signal. Ainsi, il est nécesaire de traiter deux lignes pour obtenir toute l'information de couleur nécessaire pour obtenir un signal de couleur complet à la sortie. Un commutateur 32 est prévu pour alternativement appliquer un signal retardé et non retardé appelé "A" à une matrice 34, tandis qu'un commutateur 36 est prévu pour appliquer alternativement un signal retardé et non retardé appelé "C" à.la matrice 34. Ces signaux sont dérivés de lignes horizontales alternées des éléments photo-sensibles 18 comme cela est indiqué sur la figure 3. Les commutateurs 32 et 36 sont solidaires, ainsi on peut voir sur la figure 4, que quand le signal A se compose d'un signal retardé, le signal C se compose d'un signal non retardé et inversement. Le signal appliqué à la borne 22 est également appliqué par un filtre passe- bas 38 de 3 MHz, et de là à un élément de correspondance de retard 40, qui produit un retard suffisant pour correspondre au retard que les signaux A et C ct subi par passage à travers les circuits 24, 26 et 28. Le signal à la sortie de l'élément 40 est le signal de luminance L qui contient des parties égales de signaux du rouge, du bleu et du vert, c'est-à-dire L = 1/3 (R + B + G) et il est appliqué à la matrice 34. L'amplitude de l'onde du signal de couleur à 3 MHz à la sortie du filtre 24 sur les lignes de numéro impair est A = 1/3 ( G - R) tandis que sur les lignes de numéro pair elle est de C 1/3 (B - G). On peut voir que la matrice 34 doit par conséquent résoudre les équations R = -2A - C*L, B = A+2C+L et G = A - C+L. Une telle matrice peut facilement être conçue. La figure 5 montre un motif d'un filtre de couleur à utiliser avec un système imbriqué. Avant de l'expliquer, il sera d'abord nécessaire d'expliquer que dans un mode de réalisation particulier tel que celui représenté sur la figure 5A, chaque élément photo-capteur 18 présente des arrêts 74 de canaux, qui définissent les largeurs horizontales des photocapteurs 18. Par ailleurs, chaque photo-capteur 18 présente un agencement vertical de raies conductrices horizontales 75, 76, 77. Pendant l'accumula- tion de charge du fait de léclairement pendant la trame impaire, les tensions sont appliquées aux raies horizontales par groupesde trois, dont les deux plus externes, 75 et 77 sont légèrement négatives et la raie centrale 76 est positive, par rapport au substrat. Cela définitla dimension verticale des photo-capteurs 18o Pendant la trame suivante, la position de la tension positive est décalée vers le bas d'une ou deux lignes, ce qui change la position verticale effective du photo-capteur 18. Ce décalage produit l9imbriquement. Les signaux de sortie du dispositif sont dérivés d'une opération de décalage vertical des colonnes des photocapteurs dans un registre à décalage. Un tel dispositif est traditionnel et peut être appelé "dispositif de transfert vertical à troisphases"I En se référant maintenant à la figure 5, on peut voir qu'il y a un décalage vertical entre les éléments photosensibles 18 et les éléments 20 de filtre de couleur, les emplacements des filtres étant par ailleurs les mêmes que sur la figure 3, Dans le mode de réalisation particulier représenté, le décalage est de 1/3 de la hauteur de l'élément photo- sensible, ctest-à-dire une raies Le décalage est disposé symétriquement autour des lignes horizontales 120 entre les rangées des éléments 20 de filtre de couleur, à mi- chemin entre les groupes de raies 75 et 76 On remarquera que du fait de la disposition des éléments 20, quand il y a décalage vers le bas, tout ce qui est perdu par l'information de couleur au sommet des éléments-20 est capté au bas, et par conséquent, on peut utiliser le même circuit que celui de la figure 4 pour décoder les signaux imbriqués résultant du mode de réalisation de la figure 5 ainsi que les signaux non imbriqués résultant du mode de réalisation de la figure 3. Cependant, il faut une matrice différente. En particulier, du fait de la surface de chaque élément de filtre de couleur sur chaque photo- capteur, la matrice doit résoudre les équations R = -3/8A - 1/8C+L, B = 1/8A+3/8C+L, G = 1/4A-1/4C+L. (Sur la figure , a indique l'imbriquement, b indique trame paire, et c indique trame impaire). La figure 6 montre superposées (et légèrement espacées pour aider à la compréhension), les formes d'onde du rouge, du vert et du bleu obtenues à la sortie du dispositif capteur de caméra quand le moyen de formation de l'image voit des trames solides individuelles de couleursprimairea On suppose que chaque élément photo-capteur est divisé en neuf parties, et que la contribution de chaque couleur est proportionnelle au rapport-de la surface ou zone de la section correspondante du filtre de couleur à la surface totale du photo-capteur. On notera qu'avec 320 éléments photo-sensibles qui sont explorés en 53 millise- condes, les créneauxreprésentés se répètent à unefréquence équivalente à 3 MHz. En conséquence, la réponse en fréquence du canal du signal de luminance doit être limitée à environ 3 MHz pour empêcher l'apparition de raies verticales équivalentes à 3 MHz dans l'image. Cela peut favorablement être comparé à la limite à 2 MHz, pour le même moyen de formation de l'image utilisant la tentative de filtre - à raies verticales RGB de la figure 1. Par ailleurs, dans les systèmes de filtre à quatre couleurs comme cela est représenté sur la figure lB du brevet US nO 4 121 244, le rouge dans le filtre de couleur du jaune qui comprend du rouge plus du vert, peut ne pas être le même que le rouge dans le filtre du rouge pur, et le bleu dans le filtre de couleur cyan qui contient du bleu plus du vert, peut ne pas être le même que dans le filtre du bleu pur. Cela a pour résultat soit la formation de bandes horizontales ou un vascillement des couleurs selon la façon dont on obtient l'imbriquemento Dans la présente invention, quand on regarde une trame ou image verte, les zones claires et sombres produites par les surfaces ou zones du filtre du vert et du non vert (rouge et bleu) respectivement sont déphasées de 1800 d'une ligne à l'autre. Quand la scène verte contient des composantes de fréquence sur large bande, cet effet d'alternance des phases réduit la visibilité des battements du signal du vert contre la"porteuse" à 3 MHz (sur la figure 6, l'amplitude relative est indiquée en ordonnée). Des cou leurs secondaires comme le jaune, le cyan et le magenta peuvent remplacer dans le filtre les couleurs primaires du rouge, du bleu et du vert. Cela a pour résultat une plus forte sensibilité auzcdépens de nécessités supplémentaires pour la matrice. De même, on peut utiliser une combinaison de couleursprimaireset secondairescomme du jaune, du vert et du cyan. La figure 7 montre cette possibilité, o l'on peut voir un filtre du jaLne (ye), du cyan (Cy) et du vert (G). Cet agencement présente certains avantages par rapport à celui de la figure 5 utilisant des éléments de couleur du rouge, du bleu et du vert. En particulier, cette combi- naison des couleurs a pour résultat un signal de sortie du vert sans composante de " porteuse" à 3 MHz, cela offre ainsi la base pour un signal de luminance à pleine résolution n'ayant peu ou pas de problème de battement dans les scènes du vert à haute fréquence. Le capteur général de luminance, qui est L = R+B+3G, est plus proche de la composition des couleurs du signal de luminance constant NTSC que la tentative RGB avec L = R+B+G. Cela peut donner une réduction de la visibilité du bruit selon les principes bien connus de luminance constante. On peut également montrer que l'utilisation des filtres de couleum secondairespermettra à plus de lumière de la scène de passer, donnant une plus forte sensibilité. En plus du signal L produit ci-dessus, le signal A sera égal à A= 1/3 (R2B) et le signal C sera égal à 1/3 (2R - B). La matrice sera alors étudiée pour résoudre les équations R = 2C - A, B = C - 2A et G = L + A-C. La figure 8 montre la façon dont un filtre du jaune, du cyan et du vert peut être construit uniquement à partir de sections 40 et 42 respectivement du jaune et du cyan, que l'on peut voir sur les figures Sa et 8b, respectivement. Chacune de ces sections 40 et 42 a juste une zone colorée de la couleur respective (montrée par les raies en diago- nale) et une zone transparente ou de densité neutre (montrée sans raie en diagonale). Quand les filtres se chevauchent, les résultats sont des sections telles qu'indiquées sur la figure 8c. En particulier, s'il y a des couleurs jaune et cyan qui se chevauchent, les résultats donnent des zones d'un filtre de couleur verte. (P = élément de l'image). Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Filtre de couleur à utiliser avec un dispositif capteur d'image ayant un certain nombre de photo-capteurs, caractérisé par un certain nombre de groupes horizontale- ment répétitifs de zones de couleursdifférentes verticale- ment décalés par rapport audit photo-capteur (18), 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif capteur précité présente une direction d'exploration de ligne et en ce que toutes les zones précitées ont une dimension dans la direction de-ladite exploration de ligne qui est inférieure à la dimension correspondante des photo-capteurs précités. 3. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones précitées sont rectangulaires. 4. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones précitées comprennent des couleurs du rouge, du vert et du bleue, 5. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones précitées comprennent des couleurs du jaune, du cyan et du vert, 6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il se compose de deux sections se chevauchant (40, 42), chacune ayant des zones d'une seule couleur alternant avec des zones de densité neutre, chaque section ayant des zones de filtre d'une cou-leur différente par rapport à celle de l'autre section et étant placée en quinconce par rapport à elle, ainsi ledit filtre présente trois zones de couleurs différentes du fait du chevauchement entre lesdites sections, 7. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension précitée est la dimension horizontale. S. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension précitée des zones précitées représente les deux tiers de la longueur de la dimension correspond 3.5 dante des photo-capteurs précités.. 9. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des zones ayant une couleur particulière sont décalées horizontalement par rapport aux zones ayant la même couleur particulière dans des groupes horizontaux verticalement adjacents. 10. Filtre selon lîune quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par un dispositif capteur de caméra, les zones précitées étant à proximité des photo-capteurs précités dudit dispositif capteur.