Brevet FR2656485A1 — publié le 19910628

PROCEDE DE RéGULATION D'UNE CAMERA A COUPLAGE DE CHARGE, ET CAMERA POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé de régulation du signal d'une caméra dont l'élément photosensible est constitué d'une matrice d'éléments à couplage de charge (CCD), et plus spécifiquement d'éléments à transfert de charge (CTD), ce procédé s'appliquant par variation discrète du temps d'intégration desdits éléments commandée par des moyens contrôlant ce temps d'intégration. Elle a également pour objet une caméra mettant en oeuvre ce procédé. De tels dispositifs photosensibles sont bien connus dans l'art antérieur et comportent, en général, une zone d'intégration de charge dans laquelle lténergie photonique reçue par la zone est transformée en charge électrique, la quantité de charge étant fonction de la durée d'exposition, également appelée temps d'intégration, le début et la fin du temps d'intégration étant commandés par des signaux électriques, la charge étant transférée dans une zone de lecture ou de mémoire où la charge ainsi transférée peut être lue également sur commande d'un signal électrique, la zone d'intégration et/ou la zone de lecture pouvant être remise à zéro, ou vidée, entre des intégrations et/ou des lectures successives. Comme dans toute caméra, il est évident qu'une caméra à couplage de charge doit pouvoir s'adapter à des changement d'éclairage ou de luminosité de l'objet ou à la scène visualisée par cette caméra, non seulement pour éviter des phénomènes de saturation en présence d'un degré de luminosité élevé, mais aussi afin de fournir un signal vidéo d'une amplitude aussi constante que possible lorsque il y des variations de la lumière ambiante ou de l'illumination d'un objet. D'une manière classique, un tel réglage de sensibilité peut être obtenu au moyen d'un iris ou obturateur mécanique à commande manuelle ou électrique. Un tel système de réglage présente une grande capacité de réglage, mais souffre de multiples désavantages, notamment en ce qui concerne son temps de réponse qui peut être beaucoup trop long, son absence de résistance aux chocs ou aux vibrations, son coût qui, vu sa complexité et la précision des éléments qui le composent, est relativement élevé, et, finalement, son encombrement, qui, notamment avec la miniaturisation des caméras, constitue également un inconvénient. Ceci est d'autant plus vrai quand on considère les domaines d'application de telles caméras parmi lesquels, sans que cette liste soit exhaustive, on peut mentionner la surveillance où on rencontre de fortes variations dléclairage, surtout dans le domaine industriel, les caméras embarquées où les chocs et les vibrations sont importants, et aussi la domaine des caméras de petites dimensions, où l'objectif ne possède pas d'iris ou obturateur. Une autre technique couramment utilisée pour stabiliser l'amplitude d'un signal vidéo consiste à contrôler de manière automatique le gain appliqué sur le signal (contrôle automatique de gain). Le temps de réponse d'un tel système est relativement rapide, mais sa capacité de réglage est relativement limitée, et son utilisation, surtout aux extrêmes de ses capacités, peut conduire à une dégradation du rapport signal/bruit du signal en sortie de la caméra. En plus, une grande rapidité n'est pas souhaitable parce que, du fait qu'il peut réagir au cours d'une trame, un tel amplificateur aurait tendance à mettre tous les points vidéo au même niveau, et donc à fortement réduire le contraste. Une troisième solution, utilisée couramment elle aussi, consiste à adapter la sensibilité des éléments photosensibles eux-mêmes par variation du temps d'intégration, la quantité de charge intégrée, et par conséquent le niveau du signal électrique, étant fonction de ce temps. Dans un capteur standard, ce temps d'intégration des charges est défini par la séquence de lecture, et il est égal soit à la période trame, soit à la période image. Une commande ou variation est obtenue en évacuant les charges accumulées dans le capteur pendant une partie de la période trame ou de la période image, cette partie étant réglable. Une telle solution est décrite dans le document GB-A-2 083 968, qui concerne une caméra fonctionnant en transfert de trame. Cette dernière solution, apparemment simple, ne constitue pas, cependant, une solution idéale au problème de régulation du niveau du signal de sortie d'une caméra de ce type. En premier lieu, la variation obtenue ne peut être, comme on pourrait l'imaginer, continue puisque l'évacuation des charges (à travers un drain dans le silicium), ne peut se faire qu'à des instants précis (en l'occurrence en l'absence d'un signal en sortie du capteur, soit à la fin de la période trame, soit à la fin de la période ligne), une évacuation à tout autre instant provoquant un signal parasite sur la sortie du capteur à couplage de charge, ce qui est très gênant, notamment dans le cas où la caméra est couplée à un appareil de visualisation ou de traitement de l'image. Une variation continue n'est donc pas possible. Même en technique interligne, qui est le cas qui nous concerne plus particulièrement ici, une telle évacuation n'est pas possible pendant les périodes de sortie du signal, c'està-dire pendant une durée d'environ 52 sss sur les 64 sss que représente la période ligne, dans le cas d'un fonctionnement selon la norme CCIR. Le nombre de temps d'intégration est donc fini: sa valeur maximale est en effet égale au nombre de lignes constituant l'image et cette technique souffre donc de l'inconvénient de ne permettre cette adaptation ou variation que d'une façon discontinue, ou par sauts, ces discontinuités se traduisant par des sauts du niveau moyen du signal de sortie du capteur.D'autre part, afin de s'assurer d7une rapidité suffisante du système, il est souhaitable que ce nombre de temps d'intégration ne soit pas trop grand, chaque commutation, avec son temps de réponse correspondant, nécessitant un certain laps de temps. La commutation d'un temps d'intégration à un autre se manifeste donc par des sauts du niveau ou de l'amplitude de sortie du capteur et, par conséquent, de la caméra, phénomène qui est visible et gênant quand l'image est visualisée sur écran, et qui, dans le cas d'un traitement ultérieur de l'image, peut également s' avérer gênant. On peut imaginer que le système électronique de contrôle de gain automatique, présenté plus haut, et qui est placé de façon habituelle dans la chaîne de traitement du signal vidéo, doit pouvoir compenser ce saut d'amplitude. Un retour assez rapide au niveau précédant est effectivement obtenu, mais la constante de temps d'un tel système de contrôle de gain automatique, nécessairement assez grande devant la période image, ne permet pas, dans la pratique, de masquer cette variation d'amplitude du signal qui apparaît au moment de la commutation de période d'intégration. L'un des buts de 1 invention est donc de proposer un procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra à éléments à couplage de charge (CCD), par variation discrète du temps d'intégration desdits éléments, dans lequel les variations brusques ou sauts d'amplitude du signal de sortie de la caméra, à la suite d'une commutation du temps d'intégration, sont éliminés. Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra à éléments à couplage de charge par variation discrète du temps d'intégration desdits éléments, permettant un fonctionnement plus rapide grâce à la limitation du nombre de temps d'intégration discrets mis en oeuvre. Un autre but encore de l'invention est de proposer un procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra à éléments à couplage de charge par variation discrète du temps d'intégration desdits éléments, permettant une très grande amplitude de réponse aux conditions de lumière d'une caméra mettant en oeuvre ledit procédé. Un autre but de l'invention est de proposer une caméra comportant un circuit de contrôle automatique de gain ayant, sur la partie la plus utilisée de son amplitude, un gain limité et donc un rapport signal/bruit amélioré. Un autre but encore de l'invention est de proposer un système de contrôle de gain pour un caméra CCD dont le temps de réaction est presque instantané et qui n'introduit pas de signaux parasites dans le signal de sortie de cette caméra. A cet effet, selon l'invention, à chaque commutation du temps d'intégration, les moyens contrôlant ce temps d'intégration émettent un signal commandant un circuit à gain variable interposé entre lesdits éléments à couplage de charge et la sortie vidéo de la caméra, de telle manière que le gain dudit circuit à gain variable soit multiplié dans le rapport inverse de la variation du temps d'intégration, afin que l'amplitude du signal à la sortie dudit circuit à gain variable ne subisse sensiblement aucune variation. Le circuit à gain variable peut être un circuit analogique ou un circuit numérique. De préférence, la variation de gain dudit amplificateur à gain variable est spécifique à chacun des changements du temps d'intégration possibles, ou bien l'amplificateur à gain variable subit un seul et unique réglage de gain à chaque changement du temps d'intégration. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un circuit de contrôle de gain automatique est placé en série, soit en aval, soit en amont dudit circuit à gain variable (figures 2a et 2b), ledit circuit à gain variable ayant un gain égal à l'unité en l'absence de variations du temps d'intégration. De préférence, le gain dudit circuit à gain variable, à la suite d'une commutation de temps d'intégration, revient progressivement à la valeur I à une vitesse qui est fonction du temps de réaction dudit circuit de contrôle de gain automatique. L'invention concerne également une caméra mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, cette caméra comportant au moins un élément photosensible à couplage de charge, des moyens de traitement du signal de sortie dudit élément photosensible (échantillonnage, extraction de valeurs caractéristiques) des moyens de gestion du temps d'intégration, par variations discrètes, de cet élément photosensible à couplage de charge, sous la commande dudit signal électrique, un circuit à gain automatique, cette caméra étant caractérisée en ce qu'elle comporte un amplificateur à gain variable en série, soit en aval, soit en amont dudit circuit de contrôle de gain automatique pour introduire, sous la commande desdits moyens de gestion du temps d'intégration, une variation sensiblement instantanée de gain apte à annuler, à chaque commutation du temps d'intégration, le saut d'amplitude du signal en sortie dudit élément photosensible résultant de ladite commutation du temps d'intégration. De préférence, le gain dudit circuit à gain variable est commandé par un circuit de compensation des sauts d'amplitude, commandé à son tour par lesdits moyens de gestion du temps d'intégration. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma synoptique simplifié de la chaîne de commande du niveau du signal vidéo dans une caméra selon l'art anté rieur; - la figure 2a est un schéma synoptique, également simpli fié, de la chaîne de commande du niveau du signal vidéo selon une première variante de l'invention; - la figure 2b est un schéma synoptique d'une deuxième variante de l'invention; - la figure 3a illustre le principe de fonctionnement de la compensation des discontinuités de temps d'intégration, selon la variante de l'invention illustrée dans la figure 2a; et - la figure 3b illustre le principe de fonctionnement de la compensation des discontinuités de temps d'intégration, selon la variante de l'invention illustrée dans la figure 2b. Si on se réfère maintenant aux figures 1, 2 et 3, on a représenté sur la figure 1, de manière classique le schéma simplifié d'une caméra à éléments sensibles à couplage de charge comportant l'élément sensible CCD suivi d'un échantillonneur 2 ou amplificateur du type "échantillonnage et maintien" du niveau électrique du signal de sortie de cet élément. Ce niveau ainsi échantillonné et stabilisé est mesuré par le circuit de mesure du signal vidéo 3, ce dernier fournissant une entrée à l'unité de gestion du temps d'intégration 4 qui, à son tour, adresse des signaux de commande à l'élément sensible CCD, notamment un signal commandant le début de l'intégration et un signal déclenchant l'évacuation, vers un drain constitué typiquement par une diode à une tension positive, d'une partie de la charge à un instant qui est une fraction du temps d'intégration maximal possible. Cette fraction du temps d'intégration maximal possible est une fraction discrète plutôt que continue. Le passage d'un temps d'intégration vers un autre temps d'intégration produit ainsi des "sauts" de courte durée dans le signal vidéo qui arrive à l'amplificateur à contrôle automatique de gain 5.Cet amplificateur 5, bien que produisant un retour assez rapide au niveau précédant du niveau du signal vidéo à la sortie de la caméra, n'est pas capable d'éliminer ou de compenser ces "sauts" d'amplitude, la constante de temps d'un tel système de contrôle de gain automatique, nécessairement assez grande devant la période image, ne permettant pas, dans la pratique, le masquage de cette variation d'amplitude du signal qui apparaît au moment de la commutation de période d'intégration. Sur la figure 2a, on retrouve les mêmes éléments qu'à la figure 1, avec l'adjonction de l'amplificateur à gain variable 6 entre la sortie de l'échantillonneur 2 et l'amplificateur à contrôle de gain automatique 5. Cet amplificateur à gain variable est piloté par un circuit de compensation des sauts d'amplitude 7 qui, à son tour, est commandé par l'unité de gestion du temps d'intégration 4 qui, à chaque commutation du temps d'intégration, fournit un signal comportant des informations sur le changement de temps d'intégration qu' une variation dans le niveau de la lumière arrivant au capteur CCD a rendu nécessaire.Dans le cas en cause ici, et afin de s'assurer d'une rapidité optimale de la caméra, un nombre limité de temps d'intégration, égale à 8 ou 9, est utilisé, le rapport de ces temps suivant d'ailleurs une loi approchant celle des divisions successives par 2, c'est-à-dire, avec par exemple 500 lignes constituant l'image, des périodes dans un rapport 500, 250, 125, .. etc., ce qui correspond plus ou moins aux rapports d'obturation utilisés dans la photographie classique. Selon une première variante de l'invention, la régulation sera maintenant décrite en référence à la figure 2a et, surtout, à la figure 3a. Sur la figure 3a, à l'instant T0 l'éclairage E frappant le capteur CCD commence à augmenter et, à l'instant T' le signal fourni par le dispositif de mesure du signal vidéo 3 vers l'unité de gestion du temps d'intégration 4 atteint un seuil où une commutation de temps d'intégration devient nécessaire afin de réduire la sensibilité de la caméra et, en d'autres termes, d'augmenter l'obturation de cette dernière. Consécutivement à cette commutation de temps d'intégration, le niveau V1 (voir la courbe (b) du signal vidéo) subit une variation brusque égale à Vc, ce qui, sans correction, se traduirait par une variation brusque et perceptible de l'image fournie par la caméra.Après cette brusque variation, et toujours en référence à la courbe (b), on voit que, sans aucune correction, le niveau V1 du signal vidéo suit l'évolution de l'éclairage, c'est-à-dire l'évolution de la courbe (a). Evidemment, dans le cas d'un montage selon la figure 1, l'amplificateur à contrôle de gain automatique 5 aurait pour effet de rétablir progressivement, et à une vitesse déterminée par son propre temps de réponse, le niveau initial du signal à la sortie de la caméra. Selon l'invention, et en référence à la figure 2a, l'amplificateur à gain variable 6 présente, en l'absence d'une commande de commutation de temps d'intégration générée par l'unité de gestion du temps d'intégration 4, un gain égal à 1, et cet amplificateur est donc transparent au passage du signal vers l'amplificateur à contrôle de gain automatique 5. A l'instant T' où l'effet de la commutation de temps d'intégration dont il a été question plus haut se produit sur le signal, l'unité de gestion du temps d'intégration 4 adresse un signal à un circuit de compensation des sauts d'amplitude 7 qui, à son tour, adresse une commande de gain à l'amplificateur à gain variable 6, commandant un saut de gain G dans ce dernier dans le sens opposé au saut du signal résultant de la commutation du temps d'intégration. La variation du gain G à l'instant T' est représentée sur la courbe (c). Le but de l'invention étant d'éliminer des sauts ou des variations rapides du niveau du signal vidéo fourni par la caméra, une correction unique qui est valable pour toutes les commutations possibles du temps d'intégration, peut être utilisée dans la mesure où les temps d'intégration d'avant et d'après la commutation restent dans le même rapport. Dans le cas contraire, une correction ou compensation spécifique à chacune des variations de temps d'intégration est appliquée, et dans ce cas la correction de gain G selon la courbe (c) sera aussi exactement égale et opposée au saut de tension V c produit par la commutation de temps d'intégration sur la courbe (b). Dans le cas considéré ici, la correction de gain G appliquée dans l'amplificateur à gain variable 6 produit à la sortie de cet amplificateur 6 un signal dont l'allure générale est donnée par la courbe (d) et dans lequel le saut d'amplitude du signal vidéo a été complètement éliminé. Le gain de l'amplificateur 6 revient progressivement à I (à l'instant T") pendant que l'amplificateur à contrôle de gain automatique 5 est capable d'appliquer une correction, la variation du niveau à son entrée n'accusant plus de saut d'amplitude brusque, et l'amplificateur émettant alors à sa sortie un signal vidéo vraiment constant, ce qui est figuré par la courbe (e) à la figure 3a. Dans la variante selon la figure 2b, l'amplificateur à gain variable 6 suit, plutôt que précède, l'amplificateur à contrôle de gain automatique 5. L'amplificateur 5, vu son temps de réaction nécessairement long afin d'éviter des fluctuations trop rapides dans la sortie de la caméra, est complètement transparent au passage du saut (voir courbe (c) de la figure 3b, qui illustre le fonctionnement de cette variante). Toujours en se référant à la figure 3b, la courbe (d) illustre la correction de gain G appliquée sur le signal de sortie de la caméra, à l'instant T', par l'amplificateur à gain variable 6, toujours sous la commande de l'unité de gestion du temps d'intégration 4 et à travers le circuit de compensation des sauts d'amplitude 7.Le gain de l'amplificateur 6 revient progressivement à 1 au même rythme que la correction appliquée, entre la période T' et T", par l'amplificateur à contrôle de gain automatique 5, le signal lui-même en sortie de l'amplificateur 6, et de la caméra, restant sensiblement constant (voir courbe (e) de la figure 3b) comme dans le cas précédent. Bien entendu, l'amplificateur à gain variable 6 qui, dans le cas considéré ici, est un amplificateur analogique agissant sur la tension du signal vidéo, peut, dans le cas d'une conversion analogique/numérique du signal fourni par le capteur CCD, être un amplificateur numérique, agissant de la même manière sur la chaîne numérique entre ce convertisseur et la sortie numérique, ou analogique après conversion ultérieure de la caméra. Il est à remarquer que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemples préférentiels, et que liron ne pourra remplacer ces éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. I1 est également bien entendu que le présente invention peut s'appliquer à toutes les caméras ou dispositifs de prise d'images qui utilisent un capteur à couplage de charge dans lequel le niveau d'obturation de ce capteur est réalisé par des variations discrètes du temps d'intégration desdits capteurs. REVENDICATIONS 1.- Procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra à éléments photosensibles à couplage de charge par variation discrète du temps d'intégration desdits éléments commandée par des moyens contrôlant ce temps d'intégration, caractérisé en ce qu'à chaque commutation du temps d'intégration, les moyens (4) contrôlant le temps d'intégration émettent un signal pour commander un circuit à gain variable (6) interposé entre lesdits éléments à couplage de charge (CCD) et la sortie vidéo de la caméra, de telle manière que le gain dudit circuit à gain variable soit multiplié dans le rapport inverse de la variation du temps d'intégration, et que l'amplitude du signal à la sortie dudit circuit à gain variable (6) ne subisse sensiblement aucune variation brusque. 2.- Procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit à gain variable (6) est un circuit analogique. 3.- Procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit à gain variable (6) est un circuit numérique. 4.- Procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un circuit de contrôle de gain automatique (5) est placé en série, soit en aval, soit en amont dudit circuit à gain variable (6), ledit circuit à gain variable ayant un gain égal à l'unité en l'absence de variations du temps d'intégration. 5.- Procédé de régulation du signal de sortie d'une caméra selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gain dudit circuit à gain variable, à la suite d'une commutation de temps d'intégration, revient progressivement à la valeur 1 à une vitesse qui est fonction du temps de réaction dudit circuit de contrôle de gain automatique (5). 6.- Caméra munie de moyens permettant la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5. 7.- Caméra pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, comportant au moins un élément photosensible à couplage de charge (CCD), des moyens (2, 3) de traitement du signal de sortie dudit élément photosensible: échantillonnage, extraction de valeurs caractéristiques, des moyens (4) de gestion du temps d'intégration, par variations discrètes, de cet élément photosensible à couplage de charge (CCD), sous la commande dudit signal électrique, un circuit de contrôle de gain automatique (5) entre la sortie de cet élément photosensible à couplage de charge et la sortie vidéo de la caméra, caractérisée en ce qu'elle comporte un amplificateur à gain variable (6) en série, soit en aval, soit en amont dudit circuit de contrôle de gain automatique pour introduire, sous la commande desdits moyens de gestion du temps d'intégration (4), une variation sensiblement instantanée de gain apte à annuler, à chaque commutation du temps d'intégration, le saut d'amplitude du signal en sortie dudit élément photosensible résultant de ladite commutation du temps d'intégration. 8. - Caméra selon la revendication 7, caractérisée en ce que le gain dudit circuit à gain variable (6) est commandé par un circuit de compensation des sauts d'amplitude (7), commandé à son tour par lesdits moyens de gestion du temps d'intégration (4).