Brevet FR2656106A1 — publié le 19910621

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ACQUISITiON AUTOMATIQUE DE CIBLES La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'acquisition automatique de cibles. Elle s'appllque notamment à la réalisation d'écartomêtres infrarouges multicibles ou à celle de systèmes de traitement d'images permettant la poursuite simultanée de cibles en limite de détection de leur système de repérage. Les procédés de traitement d'images connus développés pour la reconnaissance de cibles et dont des descriptions peuvent être trouvées par exemple, dans les articles - Gilles Girard, V. Ralph Algazi "Traitement numérique d'images infrarouges", traitement du signal, Vol.2, n01, 1985 - Gilbert Caussorgues, "La thermographie infrarouge, principes, Technologies, Applications" Edition Technique et Documentation Lavoisier, 1984 - J. F.Boulter "Target tracking by image substraction" Defence research establishment Valcartier au Canada, janvier 1982, ne permettent pas de détecter de manière précoce des cibles de type avion, fusée, etc.. lorsque l'angle solide sous lequel est perçu la cible est réduit au point qu'il est suffisamment faible pour rendre non perceptible la cible sur l'écran d'une console de visualisation. Le but de l'invention est de rendre automatique la détection des cibles lorsque celles-ci sont encore non ou faiblement perceptibles par ltopérateur humain placé devant une console de visualisation. A cet effet, l'invention a pour objet, un procédé d'acquisition automatique de cibles multiples caractérisé en ce qu'il consiste - à partager l'image en blocs ou segments, - à identifier dans les blocs les points de l'image de brillances maximum susceptibles de représenter une cible, - à renforcer le contraste des points identifiés, - à comparer la valeur de contraste de chaque point identifié à une valeur de seuil déterminée, - à décider de l'appartenance de chaque point identifié a une cible lorsque la valeur de contraste du point est supérieure à la valeur de seuil déterminée et à confirmer la décision lorsque, pour une série d'images déterminées, la valeur de contraste de chaque point susceptible d'appartenir à une cible dépasse la valeur de seuil déterminée. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité. L'invention a pour principal avantage qu'elle permet d'ac- croître la probabilité de détection de cibles situées à la limite de portée des appareils de détection et de diminuer corrélativement le taux des fausses alarmes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent - la figure 1 une représentation générale d'un dispositif pour l'acquisition de cibles multiples selon l'invention, - la figure 2 un mode de réalisation du module de prétraitement composant le dispositif représenté à la figure 1, - la figure 3 une vue pour illustrer le découpage en blocs de l'image, - la figure 4 un mode de réalisation du bloc d'améliora- tion de contraste composant le dispositif représenté à la figure 1, - les figures 5a à 5f un exemple numérique d'un renforcement de contraste pouvant être obtenu à l'aide du bloc d'amélioration de contraste de la figure 4, - les figures 6 à 12 des vues pour illustrer l'algorithme de décision exécuté par le bloc de décision du dispositif selon l'invention représenté à la figure 1. Le dispositif selon l'invention qui est représenté A la figure 1 comprend, représentés à l'intérieur de lignes fermées en pointilles, un module de prétraitement 1 couplé à un module de traitement 2. Le module de prétraltement 1 comprend, rellés en série, un bloc de désentrelacement de trames 3, un bloc de déllgnage 4, un bloc de filtrage 5 et éventuellement un bloc de recalage d'image 6 placé entre le bloc de désentrelacement de trames 3 et le bloc de délignage 4. Le module de traitement comprend rellés en série, un bloc de recherche d'extrémum 7, un bloc d'amélioration de contraste 8, et un bloc de décision 9. Les blocs 3, 4 et 5 du module de prétraitement 1, sont représentés à la figure 2. Le bloc de désentrelacement 3 comprend une première mémoire de trame 10 et une deuxième mémoire de trame 11 couplées toutes les deux par leurs sorties de données à une mémoire d'images 12 au travers d'un circuit multiplexeur 13. Un deuxième circuit multiplexeur 14 applique, à la fréquence ligne, les signaux de luminance représentant chaque pixel de l'image, sur les entrées de données respectives des mémoires 10 et Il. Ceci permet, pendant que les signaux de luminance relatifs à une ligne d'image sont écrits dans une mémoire de trames 10 ou 11, de lire les signaux de luminance de la ligne précédente dans l'autre mémoire 10 ou 11, pour simultanément les transférer dans la mémoire d'images 12 au moyen du circuit multiplexeur 13. Le bloc de délignage 4 comprend, un dispositif de calcul de valeurs moyennes 15 formé éventuellement de façon connue par une unité arithmétique logique d'un microprocesseur ou tout dispositif d'accumulation équivalent couplé d'une part, à un circuit multiplieur 16 et à un circuit diviseur 17. Ce bloc atténue les lignages parasites en égalisant chaque ligne de l'image désentrelacée contenue dans la mémoire d'images 12 à une valeur moyenne calculée suivant la relation i(i,j) IJ(.10xI (1) où I(i,j), T(i,j), 1(1) et 1 représentent respectivement les niveaux de gris de chaque point Pli d'une ligne courante i avant e-' après correc?doTl de la eourbs d'égalisation, la voleur moyenne de la ligne 1 avant correction et la valeur moyenne globale de l'image. Pour effectuer ce calcul la valeur I de chaque point d'image lu dans la mémoire 12 est appliquée d'une part, au dispositif de calcul de la valeur moyenne 15 et d'autre part, sur une première entrée d'opérande du circuit multiplieur 16. Sur un espace de deux trames dtimages le dispositif de calcul de valeurs moyennes 15 calcule la valeur moyenne globale de l'image I et applique le résultat de ce calcul sur la deuxième entrée d'opérande du circuit multiplieur 16. Le dispositif de calcul de valeur moyenne calcule également la valeur moyenne des niveaux de gris de chaque point d'une ligne i et applique ce résultat sur une première entrée d'opérande du circuit diviseur 17.Le circuit diviseur 17 effectue le rapport entre les résultats fournis par le dispositif de calcul de valeur moyenne 15 et du résultat fourni par le circuit multiplieur 16. Le bloc de filtrage 5 comprend, une mémoire d'images 18, un dispositif de calcul de valeurs moyennes 19, un circuit multiplieur 20, un circuit soustracteur 21 et une mémoire d'images 22. Le bloc de filtrage 5 permet d'obtenir des images contrastées, par un filtrage spatio-temporel qui fait intervenir simultanément les deux trames de chaque image. Ce filtrage opère une moyenne locale des valeurs de luminance des points de l'image situés dans une fenêtre de (n+l)x(n+l) points centrés autour du point courant sur chaque ligne de l'image désentrelacée. I1 est équivalent à un filtrage passe-bande effectué au voisinage du point courant. Les circuits 19, 20 et 21 effectuent l'opération Ip(ii) : kx[IL(i,3) - 1B1 1 (2) où IL(i,) représente la valeur moyenne locale des valeurs de luminance des points situés dans la fenêtre IL(i,j) représente la valeur moyenne des valeurs de luminance des points situés dans une fenêtre plus large centrés autour de la fenêtre définie par les (n+1) (n+1) points, k est une valeur de gain et I(13) représente 11s valeur au lue de la foncth3n. Les valeurs iL et lB sont obtenues de façon connue par le dispositif de calcul de la valeur moyenne 19 formé éventuellement comme le dispositif 15 par l'unité arithmétique logique d'un microprocesseur ou tout dispositif d'accumulation équivalent et sont appliquées respectivement sur une première entrée d'opérande du circuit multiplieur 20 et sur une première entrée d'opérande du circuit soustracteur 21. La valeur de gain k est appliquée sur la deuxième entrée d'opérande du circuit multiplieur 20 et le résultat de calcul effectué par le circuit multiplieur 20 est appliqué sur la deuxième entrée d'opérande du circuit soustracteur 21. La valeur Ip(i,) est obtenue à la sortie du circuit soustracteur 21 et est mémorisée à l'intérieur de la mémoire d'images 22.Le bloc de filtrage 5 permet ainsi d'accorder une pondération plus forte à une cible ponctuelle et de restituer les contours des objets de tailles importantes. Chaque image prétraitée est mémorisée dans la mémoire d'images 22 et est subdivisée en blocs de NxN pixels qui se chevauchent partiellement de la façon représentée à la figure 3 de la valeur d'une ligne ou d'une colonne. Dans chaque bloc un extrémum est extrait et est dilaté dans une fenêtre F de (2L+1) . (2L+1) points, par tout procédé connu, non représenté, par le bloc de recherche d'extrémum 7 ; le bloc de recherche d'extrémum pouvant éventuellement etre formé de façon connue par l'unité arithmétique logique d'un microprocesseur, ou tout dispositif équivalent.Chaque point compris dans la fenêtre est ensuite pondéré par la relation dans laquelle C t : désigne un indicateur de contraste du point (m,n) à l'instant t (Cm,n # [0,255]) Cl lu désigne l'indicateur de contraste du point (m,n) à m,n l'instant (t-1) ktm,n : désigne un Indicateur d'état du point (m > n) à l'instant t (km,n #[0,1]) et &alpha; et ss sont des variables de régulation (&alpha;=, ss=2) Ces calculs sont effectués par le bloc d'amélioration de contraste 8 dont un mode de réalisation appliqué au cas où L=1 est représenté à la figure 4. Le bloc représenté à la figure 4 comprend un premier ensemble de circuits additionneurs 23, 24 et 25 pour effectuer l'opération avec (i,J) X (0,0) et un deuxième ensemble de circuits additionneurs 26, 27 et 28 pour effectuer l'opération avec (i,j) t (0,0) Les résultats des additions effectuées par le premier et le deuxième ensemble, sont obtenus à la sortie des circuits additionneurs 25 et 28 et sont appliqués respectivement sur la première et la deuxième entrée d'opérande d'un circuit additionneur 29 dont la sortie est reliée à une première entrée d'opérande d'un circuit additionneur 30. La somme A+B+1 est effectuée par l'additionneur 30. Un circuit multiplieur 31 effectue le produit ss.kt , et mn, C = ss.ktm,n (A+B+1). Un circuit multiplieur 34 effectue le produit &alpha;xCt-1 m,n, et un circuit additionneur 33 ajoute le résultat de ce produit (o (C = 13 k t (A+B+1)). m,n Le bloc de la figure 4 permet de renforcer le contraste des pixels qui ont une forte connexité temporelle et qui ont par hypothèse, une forte probabilité d'appartenir à une cible. Un exemple de renforcement de contraste obtenu en application de la relation (3) pour L = 1 est représenté sur la séquence d'images des figures Sa à 5f, qui représentent les résultats des traitements effectués sur une valeur d'extrémum détecté dans un bloc d'image durant trois images successives. Sur la figure 5a, les pixels de valeurs 1 compris dans la fenêtre Fut 2 de dilatation du pixel central se voient attribués par le bloc de renforcement de contraste précédemment décrit les valeurs de contrastes indiquées à l'intérieur de la fenêtre Fb de la figure 5b. A la séquence d'image suivante le pixel de luminance maximum s'est déplacé dans l'image et donne lieu à la fenêtre de dilatation Ft-1 représentée sur la figure 5c.Celle-ci donne en tenant compte des valeurs de contraste obtenues dans la fenêtre Fb de la figure 5b les valeurs de contraste indiquées dans la fenêtre Fd de la figure 5d et on note que les valeurs de la fenêtre Fb non recouverte par la fenêtre F' sont diminuées de moitié (avec &alpha; = A la troisième séquence d'image représentée aux figures 5c et 5f le pixel de luminance maximale s'est encore déplacé et donne lieu aux fenêtres Pt et Ff sur les figures 5e et 5f. A la figure 5f on voit que la valeur de contraste est écrêtée à 255 pour la plupart des points de la fenêtre FF, et comme précédemment les valeurs de contraste des pixels extérieurs à la fenêtre sont divisées par deux. Les valeurs de contraste Ctm,n sont ensuite traitées par le bloc de décision 9 qui peut être formé de façon connue par une unité de traitement de type microprocesseur ou tout dispositif équivalent, judicieusement programmé suivant l'algorithme décrit ci-apres à l'aide Ges - figures 6 à 12, pour permettre de discerner les cibles réellement détectées des fausses alarmes produites généralement par le bruit d'origine thermique qui entache normalement toute transmission de signaux électriques. Dans le bloc de décision 9, le seuil de décision est fixé à 255. L'expérience montre que l'indicateur de contraste précédemment décrit atteint très rarement la valeur 255 pour les fausses alarmes. Par contre, lorsqu'une cible est accrochée, le détecteur affiche image par image, la valeur écrêtée de 255. Pour confirmer une bonne détection, la procédure qui apparaît la plus pertinente consiste à constater que l'indicateur de contraste atteint la valeur maximum 255 pendant une série d'images successives. Les fausses alarmes peuvent alors être mises en évidence par un indicateur. Dès que le seuil de décision est validé, une procédure dite de "clustering" est engagée afin de délimiter les frontières des objets dont l'appartenance à une cible est très probable. Cette méthode consiste, par itérations successives, à regrouper dans une fenêtre rectangulaire les valeurs non nulles (ou supérieures à un seuil déterminé) connexes spatialement et qui contiennent au moins une valeur de 255. L'objet est, par hypothèse, isolé et séparé du fond de l'image. La fenêtre minimale caractérisant une cible peut avoir pour l'application de la procédure une dimension de 5x5 pixels ce qui correspond à une cible fixe de la fenêtre de dilatation ayant une dimension de 3x3 pixels. L'algorithme est initialisé en considérant une fenêtre F de 3x3 pixels, centrée sur un point d'amplitude égal à 255. La méthode est itérative et consiste à calculer pas à pas la densité sur chaque arête al, a2, a3, a4 de la fenêtre F, dont une représentation est montrée à la figure 6. Pour toute itération k chaque sommet ei se voit sssocié les densités d. et d1+1 des deux arêtes ai et ai+1 qui lui sont i a1+1 communes. La densité d. d'une arête ai est égale à la somme des valeurs3 dc I'-minance des points Pj appartenant à chaque arête ai. A chaque itération la nouvelle position spatiale d'un sommet ek+1s est liée à la densité de chaque élément du couple (dm, dn) comme ceci est indiqué sur les tableaux des figures 7a, 7c, 7e, 7g. Dans ces tableaux "X" indique que la densité di est différente de O ou supérieure au seuil, et "O" indique que d. est égale à O ou inférieure au seuil. Après chaque itération la fenêtre la plus adaptée est choisie parmi 16 possibilités. Les déplacements des sommets e. correspondants sont indiqués aux figures 7g, 7f et 7h. La fenêtre de taille maximale Fk+1 qui peut ainsi être prédite est max représentée à la figure 8. Celle-ci est définie par les relations e1k+1 = e1k+(-1,-1) e2k+1 = e2k+(-1,1) e3k+1 =ek3+(1,1) eq =ek et toutes les autres fenêtres d'encadrement sont contenues dans la fenêtre Fmax. La fenêtre de taille minimale Ekmini qui caractérise I'objet, est définie par les relations k+1 k el el ek+î =ek2 k+1 k e3 = e3 e4k+1 =e4k Un exemple correspondant d'encadrement d'une cible identifiée par les valeurs de contraste de ses points, est montré à la figure 9.Sur cette figure, la fenêtre de taille minimum entoure au moment de l'initialisation les valeurs de contraste d'un ensemble de 3x3 pixels portant des valeurs comprises entre 0 et 250 et la fenêtre de taille maximum encadre Ensemble de toutes les valeurs contrastées des points appartenant à la cible. Cette technique de repérage présente l'avantage de pouvoir s'appliquer à l'acquisition de cibles multiples. Elle permet en effet de vérifier spatialement l'appartenance de chaque point d'amplitude 255 à un objet déjà reconnu et en cas de non appartenance, la procédure précédemment décrite peut être renouvelée. Cependant la validation d'une cible peut dépendre de diverses contraintes qui peuvent affecter deux images successives. Dans le cas d'une forte contrainte inter-image une cible est détectée si entre deux images successives deux objets A(t) et B (t+1) ont des valeurs de contraste égales à 255 et possèdent une zone de recouvrement. En utilisant les notations des figures 10 et 11, où chaque objet est caractérisé à un instant t quelconque par 4 paramètres qui sont, les coordonnées du point début de objet XD, YD (en haut à gauche sur la figure 10) et les coordonnées du point fin de l'objet XI, Y (en bas à droite), - un objet A étant caractérisé par les coordonnées XDA, YDA, XFA' YFA et un objet B étant caractérisé à l'instant t+1, par les coordonnées XDB, YDB' XFB' YFB- la zone de recouvrement temporel des objets A et B peut être définie par la relation [MAX(XDA,XDB) Dans le cas d'une moyenne contrainte inter-image, une cible sera alors détectée si entre deux images dont l'espace temporel est variable, deux objets possédent au moins une valeur de contraste égale à 255 et ont une zone de recouvrement. Un espace temporel de n images, n étant compris par exemple entre 1 et 8, peut être toléré en cas de disparition ou de non localisation momentanée de la cible dans l'image source. Ainsi, si à l'instant t l'indicateur de contraste indique pour l'objet A une valeur de contraste égale à 255 et si à l'instant t+n celle de l'objet B est elle aussi égale à 255, A est nécessairement identique à B et doit correspondre à la cible si n est compris entre 1 et 8 et qu'il y a recouvrement. Dans le cas d'une faible contrainte inter-image, une cible est détectée si (figure 12) entre deux images dont l'espace temporel est variable et compris par exemple entre 1 et 8, un extrémum dilaté extrait de l'image prétraitée, appartient à la fenêtre de recouvrement d'un objet ayant une valeur de contraste égale à 255. Dans ce cas les limites de la fenêtre de recouvrement sont fixées par la dimension de l'objet et par les dimensions de l'extrémum dilaté. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition automatique de cibles multiples caractérisé en ce qu'il consiste - à partager (7) l'image en blocs ou segments - à identifier (5, 7) dans les blocs les points de l'image de brillances maximum susceptibles de représenter une cible - à renforcer le contraste des points identifiés (8) - à comparer (9) la valeur de contraste de chaque point identifié à une valeur de seuil déterminée, - à décider (9) de l'appartenance probable de chaque point identifié à une cible lorsque la valeur de contraste du point est supérieure à la valeur du seuil et à confirmer (9) la décision lorsque, pour une série d'images déterminées, la valeur de contraste de chaque point susceptible d'appartenir à une cible dépasse la valeur de seuil déterminée . 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à dilater (7) dans chaque bloc le point de brillance maximum susceptible de représenter une cible dans une fenêtre de (2L+1)x(2L+1) points centrée sur le point de brillance maximale. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il consiste pour renforcer le contraste, à pondérer (8) la brillance de chaque point P(m,n) par la relation dans laquelle - C t désigne l'indicateur de contraste du point P(m,n) à l'instant courant t placé au croisement de la ligne m et de la colonne n de l'image, - Ct,i désigne l'indicateur de contraste du point P(m,n) à m,n l'instant t-i précédent, - k n désigne l'indicateur d'état du point P(m,n) à l'instant courant t - et o ss sont des variables de régulation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste pour décider de l'appartenance des points détectés à une cible, à regrouper par itérations successives dans une fenêtre rectangulaire les valeurs de brillance non nulles ou supérieures à la valeur de seuil déterminée et qui sont connexes spatialement, et à constater le recouvrement des fenêtres rectangulaires sur plusieurs images successives. 5. Dispositif pour la mise mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qutil comprend, couplé dans cet ordre en série, un bloc (3) de désentrelacement de lignes d'image, un bloc (4) de délignage, un bloc (5) de filtrage, un bloc (7) de recherche d'extrémum, un bloc (8) d'amélioration de contraste et un bloc (9) de décision.