Brevet FR2636799A1 — publié le 19900323

Caméra pour la prise de vues de mouvements rapides en télévision, et système de restitution images utilisant une telle caméra. L'invention se rapporte au domaine des équipements de telévision, et a plus particulièrement pour objet une caméra particulièrement adaptée à la prise de vues de mouvements rapides dans de tels équipements. Les caméras classiques utilisent lors de la prise de vues le mode entrelacé de deux trames par image, de 1/50e de seconde. Le temps d'exposition de chaque ligne ou pixel est donc théoriquement de 1/25e de seconde Mais dans les caméras à tubes, le spot d'analyse n'est pas assez fin et tout se passe comme si le spot "lisait" deux lignes a la fois, ce qui équivaut à une réduction du temps d'exposition. De plus la couche photoconductrice des tubes de caméra a une certaine rémanence propre, c'est-à-dire que chaque balayage ne décharge pas complètement la cible. Ces deux phénomènes étant contradictoires les caméras à tubes ont des comportements variables suivant la nature de la couche photosensible et la taille du tube d'analyse. Dans le cas des caméras à transfert de charge, il nty a pas de rémanence intrinsèque et l'isolement entre pixels est parfait. Le temps d'exposition est donc exactement égal à 1,25e de seconde si on utilise un balayage entrelacé. Dans la pratique ce temps d'exposition est trop long car il en résulte une rémanance inacceptable. Pour éviter cela, le balayage a donc lieu pour deux lignes en même temps, soit pour les lignes un et deux sur la trame impaire, et pour les lignes deux et trois pour la trame paire, ce qui permet d'obtenir effectivement un temps d'exposition de 1/50e de seconde (seule la résolution verticale est réduite). En résumé quel que soit le type de caméra classique utilisée, le temps d'intégration est toujours égal à 1/50e de seconde.Lorsque l'on cherche à enregistrer des mouvements rapides, et que l'on restitue les images correspondantes sur un magnétoscope permettant le ralenti et l'arrêt sur image, on constate que les images individuelles sont floues et ne peuvent être exploitées ; ces images paraissent moins floues à la vitesse du défilement normal. Ce défaut est particulièrement gênant pour les images de reportages sportifs incluant des images de mouvements rapides, surtout lorsque ces images sont examinées image par image ou au ralenti. Pour remédier à ce défaut, plusieurs solutions ont été envisagées et éventuellement utilisées. Tout d'abord il a été envisagé de réduire le temps d'exposition en interrompant les rayons lumineux pour n'exposer le capteur qu'une fraction du temps normal. Cette solution est notamment celle utilisée sur les caméras à tubes. Ses résultats sont corrects mais toujours limités par la rémanence des tubes ainsi, lorsque les images sont examinées une à une, précédente, qui n'a pas été entièrement effacée, apparaît faiblement superposée à l'image principale. Pour les caméras à tubes il nty a pas d'autre solution disponible et ces caméras étaient donc équipées de disques obturateurs tournants permettant de régler le temps d'exposition de 1/100e à l/lOOOe de seconde. Les caméras utilisant des capteurs a transfert de charge solides ont apporté une solution nouvelle, impossible avec les tubes : faire varier le temps d'exposition de manière électronique, sans interrompre les rayons lumineux. Pour cela chaque trame est balayée en deux temps : un temps d'exposition utile qui peut être très court, et le temps restant jusqu'a 1/50e de seconde pour la décharge du capteur. Cette solution est largement utilisée, même dans les équipements grand public pour varier le temps d'exposition. Cependant si l'on cherche à reproduire des mouvements rapides, il reste que le nombre d'images, 50 par seconde, n'est pas suffisant.Pour un mouvement rapide pour lequel on choisit un temps d'exposition de 1/1000 de seconde, les images enregistrées pourront être très nettes, mais 50 images par seconde ne peuvent pas reproduire toutes les phases du mouvement. Une autre solution consiste donc à augmenter la cadence de 50 images par seconde, mais en sortant des équipements standards de télévision. C'est ainsi qu'un système utilisant une vitesse d'analyse de 180 trames par seconde, soit trois fois la vitesse du NTSC, a été développé. L'inconvénient de ce système est qu'il nécessite le développement d'un magnétoscope spécial trois fois plus rapide que la vitesse normale, et qu en suite, iI faut convertir les signaux ainsi obtenus en images standard en utilisant plusieurs mémoires de trames. La caméra est également spéciale et utilise des tubes à balayage électrostatique, mais dans lesquels la rémanence des tubes est gênante. Le prix d'un tel ensemble est très élevé et ces équipements sont difficiles a banaliser. Une caméra, utilisant un capteur solide à transfert de charge, balayée plus rapidement, comme le dernier système décrit ci-dessus permettrait théoriquement d'éliminer la rémanence. Cependant un tel système n'est pas viable car les dispositifs a transfert de charge ne peuvent transférer les charges à un rythme suffisant (trois fois la vitesse normale par exemple). D'autre part les autres éléments de la chaîne magnétoscope, et mémoire de conversion resteraient les mêmes qu'avec un système à tubes et donc constitueraient un ensemble de prix très élevé, difficile à banaliser. L'invention a pour objet une caméra permettant la reproduction de mouvements rapides et un système de restitution d'images utilisant une telle caméra et utilisant pour l'enregistrement et la restitution des équipements standards, donc relativement peu coûteux. Suivant l'invention une caméra pour la prise de vue de mouvements rapides, est caractérisée en ce qu'elle comporte un objectif standard suivi d'un système optique à n ports de sortie (n supérieur à 2) sur lesquels l'image captée par l'objectif est formée, n capteurs solides à transfert de charges respectivement couplés aux n ports de sortie et précisément positionnés de façon qu'un même pixel de l'image corresponde a des points homo logues dans chacun des capteurs, et en ce qu'un circuit commande un déphasage de 1/ne de la durée de la trame entre les phases d'exposition de chacun des capteurs, qui délivrent donc des signaux correspondant à des images successives décalées de I/ne de la durée d'une trame, les capteurs étant respectivement reliés à des circuits de traitement vidéo standard. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexés. La figure I représente la partie prise de vue du système à caméra selon l'invention; La figure 2 est un chronogramme mettant en évidence les temps d'exposition sur les différentes voies de la partie caméra La figure 3 représente la partie restitution et recomposition d'un signal vidéo utile La figure 4 illustre les performances d'un système connu et du système à caméra selon l'invention. La solution envisagée pour le système à caméra permettant la prise de vues de mouvements rapides utilise des capteurs solides â transfert de charge. Cette caméra comprend en réalité n(n = 4 dans l'exemple représenté) caméras distinctes placées derrière un objectif commun, et parfaitement superposées en ce qui concerne les chemins optiques et les éléments d'images, comme il sera expliqué ci-après. Ces n caméras sont balayées à la vitesse standard soit 50 trames par seconde, mais décalées l'une par rapport à ses voisines d'un quart de trame. Ces caméras sont munies chacune d'un obturateur électronique permettant de régler le temps de l'exposition et permettent ainsi de décomposer les mouvements rapides avec n fois plus d'images que les équipements standards. Un avantage de ce système est que les circuits qui suivent sont des circuits standards, notamment les magnétoscopes enregistreurs qui sont des équipements standards non modifiés. L'invention est décrite plus en details ci-après : La figure 1 représente le système de prise de vues à "multi-caméra" suivant l'invention. I1 comporte un objectif de caméra de studio classique, 10, et un coffret de caméra de studio associée 20 ; tous les objectifs de studio habituels pouvant être utilisés, notamment ceux ayant les plus grands rapports.A la suite de cet objectif 10 est disposé, dans le coffret 20, un système séparateur optique pour séparer l'image en quatre images identiquels Ce système peut utiliser des prismes ou des miroirs semiréfléchissants, comme représenté sur la figure I où trois miroirs semi-réfléchissants M1, M2, M3, ont été prévus pour sépa- rer l'image en quatre images identiques reçues par quatre capteurs solides à transfert de charge, CCD1, CCD2, CCD 3, et CCD4. Ces quatre capteurs à transfert de charge sont donc placés sur les ports de sortie du système séparateur optique et positionnés avec une précision meilleure qu'un demi pixel. La stabilité thermique d'un tel système optique est assurée par les mêmes techniques que celles utilisées dans les séparateurs trichromes classiques.Les outillages utilisés pour le collage sont aussi les mêmes. La solution décrite ci-dessus est une solution statique l'inconvénient d'une telle solution dans laquelle l'image initiale est séparée en quatre images identiques est que la lumière disponible dans chacune de ces images est au maximum le quart de celle disponible dans l'image initiale. Une autre solution, dynamique, utilisant un système optique à miroir mobile par exemple peut être utilisée. Cette dernière solution permet d'obtenir la même luminance pour les quatre images que celle contenue dans l'image initiale, au prix d'une éventuelle complexité plus grande du système optique, mobile. Les capteurs solides a CCD sont du type monosenseur avec filtre à réseau coloré : ils peuvent utiliser par exemple des capteurs de 768 points par ligne du type å couleurs complémentaires : vert, jaune, et cyan. Ces capteurs solides à transfert de charge sont reliés a des circuits de traitement classiques, Il 12 13, et 14 effectuant l'extraction de la chrominance, le matriçage des composantes, le traitement de la luminance et le codage et fournissant quatre voies caméra, respectivement V1, V2, V3 et V4 Les capteurs à transfert de charge sont commandés par des signaux de synchronisation S1, S2, S3 et S4 repré sentés sur la figure 2 déphasés chacun de la durée de la trame, soit 20 millisecondes, divisée par le nombre de voies, c'est-à-dire quatre dans l'exemple représenté. Ces signaux sont obtenus par division d'un signal d'horloge 4H à la fréquence 4 fois la fréquence trame de l'horloge de trame H. Dans cet exemple les signaux de commande sont donc décalés de 5 millisecondes (1/200e de seconde).Les signaux d'horloge et de synchronisation sont fournis par un circuit d'horloge et synchronisation 15 qui permet également la commande d'une fonction d'obturation électronique, le temps d'exposition t pouvant varier dans le e cas decrit de 1/200e de seconde à, par exemple, 1/2000e de seconde. Les signaux d'analyse V1 . . V4 issus des circuits de traitement couplés à chacun de ces capteurs à transfert de charge sont donc déphasés de 5 millisecondes.Ils sont remis en phase pour la transmission par un circuit de mise en phase 16 à mémoire de trame organisée en multiples lignes à retard de 5 millisecondes correspond à chacune à 156 lignes (625:4) dans exemple représenté (en multiples lignes à retards de la durée de trame divisée par n correspondant chacune au nombre de lignes total de la trame divisé par n, dans le cas général). Un circuit multiplexeur 17 permet de transmettre ces signaux éventuellement a distance par une liaison standard de type triaxiale. La figure 3 représente la partie restitution d'un système de restitution d'images utilisant une telle caméra. A l'extrémité de la liaison, un circuit démultiplexeur 30, restitue les signaux vidéo d'analyse issus des quatre voies, mais en phase, V'1, V12' V'3' et V'4 respectivement. Chacun de ces signaux est transmis à un enregistreur-lec teur magnétique standard, respectivement EL1, EL2, EL3 et EL4 Ces quatre enregistreurs-lecteurs sont commandés par un circuit de gestion et de commande 40 muni d'un pupitre de commande 50. Pour la restitution d'un signal vidéo correspondant à une séquence à vitesse "normale", seul l'un des 4 enregistreurs est utilisé. Pour une restitution å vitesse lente, une séquence à vitesse lente est obtenue par lecture séquentielle des quatre voies.Une restitution image par image permettant la décomposition d'un mouvement rapide peut egale- ment être obtenue par une lecture séquentielle avec arrêt sur image de chacun des enregistreurs-lecteurs. La figure 4 illustre les résultats obtenus L'image I illustre le flou obtenu par un balayage complet de l'image par un objet en mouvement rapide, une balle par exemple, pour une prise de vues qui a la même durée qu'une image si l'objet traverse l'écran en 20 ms (une image). L'image II illustre le flou beaucoup moins fort obtenu sur une prise de vues dans lequel le temps d'exposition a été réduit à 0,5 ms. Les images III1, III2, III3 et III4 illustrent les images obtenues par 4 prises de vues décalées de 5 ms, avec un temps d'exposition de 0,5 ms (qui peut être plus long si l'ob- jet est en mouvement plus lent). Cette illustration montre que la caméra selon l'invention peut permettre de restituer des images d'objets en mouvements rapides lors d'une lecture à vitesse plus lente que la normale et peut donc permettre notamment le ralenti de prises de vues, lors de reportages sportifs notamment. REVENDICATIONS 1. Caméra pour la prise de vues de mouvements rapides, caractérisée en ce qu'elle comporte un objectif standard (10) suivi d'un système optique (M1... M4) à n ports de sortie (n supérieur à 2) sur lesquels l'image captée par l'objectif est formée, n capteurs solides à transfert de charge (CCD1...CCD4) respectivement couplés aux n ports de sortie et précisément positionnés de façon qu un même pixel de l'image corresponde à des points homologues dans chacun des capteurs, et en ce qu'un circuit (15) commande un déphasage de 1/ne de la durée de la trame entre les phases d'exposition de chacun des capteurs, qui délivrent donc des signaux correspondant à des images successives décales de 1/ne de la durée d'une trame, les capteurs étant respectivement reliés à des circuits de traitement vidéo standard (11,...14). 2. Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système optique à n ports de sortie est un système statique comportant des séparateurs de faisceau optique précisément positionnés pour que les images formées sur les capteurs associés aux n ports de sortie soient identiques à un instant donné. 3. Caméra selon la revendication 2, caractérisée en ce que le système optique statique est formé de miroirs semi-trans parents (M1 j M2 M3 M4). 4. Caméra selon la revendication 2, caractérisée en ce que le système optique statique est formé de prismes. 5. Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système optique à n ports de sortie est un système dynamique à miroir tournant deviant le faisceau séquentiellement vers les n ports de sortie a un rythme égal à n fois la fréquence trame. 6. Caméra selon la revendication 1, caractérisée en ce que n = 4. 7. Système de restitution d'images de mouvements rapides mettant en oeuvre une caméra selon l'une des revendications précédentes associée à n enregistreurs-lecteurs standard (EL1, ... , EL4), les signaux vidéo issus des n circuits de traitement de la caméra étant respectivement enregistrés par les n enregistreurs-lecteurs susceptibles de restituer chacun une séquence d'images au rythme normal, et de restituer ensemble, en lecture plus lente une séquence d'images utilisant séquentiellement les signaux enregistres sur les n enregistreurs.