Brevet FR2662282A1 — publié le 19911122

"DISPOSITIF DE DETECTION D'OBJETS DANS UNE SEQUENCE D'IMAGES' La présente invention concerne un dispositif de détection d'objets dans une séquence d'images Un tel disposi- tif est utilisable notamment dans des applications du type surveillance ou contrôle de trafic par exemple, ou encore pour le traitement d'images dans le domaine médical Il va de soi que le terme "objet" doit ici être considéré dans un sens large, et qu'il englobe aussi bien les objets inanimés que les personnes ou les animaux éventuellement, sans limitation d'aucune sorte quant à la nature de ces "objets" En outre, il faut dès à présent préciser que les informations d'entrée du dispositif selon l'invention sont des images numériques com- prenant un certain nombre de points d'image auxquels sont associées des valeurs de luminosité, et qu'il n'est donc pas nécessaire de s'intéresser à la manière dont ces images ont été acquises, là encore aucune limitation n'ayant à être signalée. Le but de l'invention est de proposer un disposi- tif de détection d'objets d'une simplicité et d'une robustesse suffisantes pour s'adapter à un large éventail de type d'images acquises, la seule condition imposée audit dispositif étant son aptitude à détecter des objets ponctuels, mais ces objets pouvant être, dans les scènes observées, plus ou moins nombreux, plus ou moins contrastés par rapport au fond des images, avec des trajectoires respectives qui se coupent éventuellement, et ces objets de faibles dimensions pouvant en outre coexister avec des objets mobiles de bien plus grandes dimensions. A cet effet le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend: (A) des moyens de recalage d'images d'une préci- sion sensiblement égale à la taille des objets à détecter; (B) des moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels à l'intérieur d'une image recalée; (C) des moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles entre deux images recalées; (D) des moyens de sélection définitive des signaux considérés comme correspondant aux objets à détecter. Dans la structure ainsi proposée, lesdits moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels comprennent de préférence: (a) un filtre passe-bas, prévu pour déterminer p moyennes locales de luminosité autour d'un point de ladite image recalée; (b) un circuit de calcul, pour p points dits voisins entourant un point de l'image recalée non filtrée, de la différence entre le signal de luminosité associé à ce point de l'image recalée non filtrée et le signal de luminosité associé dans l'image recalée filtrée à ces p points voisins (c) un circuit de sélection de la plus faible de ces différences; ladite détermination de moyennes, ledit calcul de différence, et ladite sélection étant prévus pour chaque point de l'image recalée non filtrée, à l'exception des points situés en bordure d'image. De plus, dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles comprennent (a) une mémoire de stockage temporaire de n images recalées antérieures à l'image recalée courante, n étant un nombre entier positif; (b) un circuit de calcul de la différence entre le signal de luminosité associé à chaque point de l'image recalée courante et le signal de luminosité associé à chaque point qui lui correspond spatialement dans la n-ième image recalée antérieure; (c) un circuit de sélection de l'une des plus faibles de ces différences. Dans une variante de réalisation de ces moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles, le circuit de calcul de différence est prévu pour effectuer la différence entre le signal de luminosité associé à chaque point de l'image recalée courante et le signal de luminosité associé, dans la n-ième image recalée antérieure,,au point correspon- dant spatialement audit point de l'image courante et aux p points qui entourent ce point correspondant. Dans l'une ou l'autre de ces deux réalisations, le circuit de sélection est prévu pour assurer, de préférence, la sélection de la plus faible des différences ainsi calculées. Ce circuit de sélection peut aussi, alternativement être un filtre de rang prévu pour éliminer une ou plusieurs des plus faibles différences ainsi calculées et sélectionner la plus faible des différences résiduelles après cette élimination. Par ailleurs, les moyens de sélection définitive comprennent, de préférence: (a) un circuit de multiplication de deux gran- deurs liées aux signaux de sortie respectifs desdits moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels et desdits moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles; (b) un circuit de décision à seuil lesdites deux grandeurs pouvant être, en particulier, les signaux de sortie respectifs des moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels et des moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles. Dans ces moyens de sélection définitive, le seuil du circuit de décision est par exemple soit prédéterminé en fonction du nombre maximal d'alarmes voulu, soit choisi de façon à optimiser un critère reliant la probabilité de fausse alarme et le taux de détection, tel que, notamment, le rapport du nombre d'objets détectés au nombre de fausses alarmes. Le dispositif ainsi proposé peut encore être perfectionné en prévoyant un circuit de remplacement des dif- férences négatives par la valeur zéro, soit en sortie des moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles, soit en tête de l'un ou l'autre des différents modes de réalisation des moyens de sélection définitive. Enfin, en choisissant de façon appropriée les cir- cuits mettant en oeuvre les différentes opérations élémen- taires prévues dans le dispositif, les divers moyens de recalage, de rehaussement de contraste, et de sélection défi- nitive qui le composent peuvent être, de façon très avanta- geuse, organisés pour fonctionner en temps réel. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels: la figure 1 montre un exemple de réalisation d'un dispositif de détection d'objets selon l'invention; les figures 2, 3 a et 4 a montrent un exemple de réalisation respectivement des moyens de rehaussement du con- traste des objets ponctuels, des moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles, et des moyens de sélection défi- nitive les figures 3 b et 4 b montrent des variantes de réalisation des moyens représentés sur les figures 3 a et 4 a. Le dispositif de détection d'objets représenté sur la figure 1 comprend tout d'abord des moyens de recalage d'images 100 La précision du recalage ainsi effectué est sen- siblement égale à la taille des objets à détecter On rappel- lera ici que le recalage d'images est une opération en elle- même connue, et décrite par exemple dans l'ouvrage "Digital image processing", de W K Pratt, J Wiley and Sons, 1978 Son principe est le suivant Considérant dans une séquence d'images une première image de référence et une deuxième image qui lui est postérieure, on choisit dans l'image de référence quelques zones d'intérêt, que l'on appelle points de réfé- rence, et l'on recherche dans la deuxième image, en fonction d'un critère déterminé, les zones qui s'accordent le mieux à ces points de référence et que l'on appelle alors points d'accord Ces points de référence et ces points d'accord sont alors associés de telle sorte qu'on dispose d'un jeu de vec- teurs de déplacement dont l'ensemble constitue une carte indiquant la transformation analytique la plus représentative de la corrélation entre ces deux images Il ne reste plus qu'à construire la version rectifiée dite image recalée de la deuxième image, en appliquant ladite transformation à tous les points d'image de cette deuxième image, en effectuant les interpolations nécessaires. Les moyens de recalage d'images 100 sont suivis, comme indiqué sur la figure 1, de moyens 200 de rehaussement du contraste des objets ponctuels à l'intérieur d'une image recalée Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 2, ces moyens 200 comprennent d'abord un filtre passe-bas 21, qui reçoit les signaux de sortie des moyens de recalage d'images 100, c'est-à-dire l'image recalée courante, notée par exemple Un Cette image courante Un est consti- tuée d'un certain nombre de points d'image recalée auxquels sont associées des valeurs de luminosité exprimées en bits sur une dynamique déterminée Le filtre passe-bas 21 a pour fonc- tion de déterminer p moyennes locales de luminosité (avec ici p = 8) autour d'un point de ladite image recalée, cette opéra- tion de filtrage étant bien entendu généralisée à l'ensemble de l'image recalée sauf pour les points de l'image situés en bordure de celle-ci Un tel filtre ne sera pas davantage décrit, un exemple en étant en effet donné dans l'article "Target acquisition and extraction from cluttered backgrounds" de S A Dudeni, SPIE, vol 302, Infrared Technology for Target Detection and Classification, 1981, pp 43-50, qui donne toutes précisions sur la définition d'un tel filtre de contraste. Le filtre passe-bas 21 est suivi d'un circuit de calcul 22 qui, pour les p points voisins dudit point de l'image recalée et correspondant auxdites moyennes locales déterminées, évalue la différence entre les signal de lumino- sité associés dans l'image recalée filtrée à chacun desdits p points Bien entendu, cette opération de calcul de diffé- rences est, comme le filtrage précédent, généralisée à l'en- semble de l'image recalée excepté les points situés en bordure de celle-ci, et il en est de même pour l'opération suivante. En effet, un circuit de sélection 23 compare enfin deux à deux ces p différences et sélectionne la plus faible d'entre elles, qui constitue le signal de sortie des moyens de rehaussement de contraste 200 dans l'exemple particulier de réalisation ici décrit. Les moyens de recalage d'images 100 sont également suivis, comme le montre la figure 1, de moyens 300 de rehaus- sement du contraste des objets mobiles entre deux images reca- lées Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 3 a, ces moyens 300 comprennent d'abord une mémoire 31 de stockage temporaire de N images recalées antérieures à l'image recalée courante (n étant un nombre entier positif). Un circuit de calcul 32 effectue alors les différences entre le signal de luminosité associé à chaque point de l'image recalée courante et le signal de luminosité associé à chaque point qui lui correspond spatialement dans la n-ième image recalée antérieure, puis le choix de l'une des plus faibles de ces différences est effectué par un circuit de sé- lection 34 La sortie de ce circuit 34 constitue celle des moyens de rehaussement de contraste 300, dans l'exemple décrit. Dans un autre exemple de réalisation de ces moyens de rehaussement de contraste 300, représenté sur la figure 3 b, le circuit de calcul 32 est remplacé par un circuit de calcul 33 effectuant cette fois les différences entre le signal de luminosité associé à chaque point de l'image recalée courante et le signal de luminosité associé, dans la n-ième image re- calée antérieure, au point correspondant spatialement audit point de l'image courante et aux p points qui entourent ce point correspondant Là encore, le calcul de différences ainsi effectué est généralisé à l'ensemble des points de l'image recalée courante sauf ceux situés en bordure de celle-ci, de même que l'opération de sélection qui suit ce calcul. Dans le cas de l'un comme de l'autre des deux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, le cir- cuit de sélection 34 choisit par exemple la plus faible des différences calculées On peut, alternativement, utiliser comme circuit de sélection un filtre de rang qui élimine une ou plusieurs des plus faibles différences ainsi calculées et sélectionne, après cette élimination, la plus faible des dif- férences résiduelles On précisera ici également que les moyens de rehaussement de contraste, aussi bien du contraste des objets ponctuels que de celui des objets mobiles, peuvent comprendre, l'un ou l'autre ou les deux simultanément, un cir- cuit 35 de remplacement des différences négatives par la va- leur zéro, placé par exemple en sortie du circuit de sélection 34 (ce circuit 35 n'a donc, dans le cas présent, été repré- senté que, par exemple, en sortie des moyens 300, sur les figures 3 a et 3 b). Pour des objets plus brillants que le fond, la présence d'un tel circuit de remplacement en association aux moyens 200 est destinée à permettre de ne pas tenir compte des points de contraste local négatif, correspondant en fait à des objets de moins en moins ponctuels La présence d'un tel cir- cuit en association aux moyens 300 est destinée à permettre de ne pas tenir compte des transitions objet-fond, correspondant à des zones de découvrement. En sortie des moyens 200 de rehaussement du con- traste des objets ponctuels et des moyens 300 de rehaussement du contraste des objets mobiles sont ensuite prévus des moyens 400 dits de sélection définitive des signaux qui vont être considérés comme correspondant aux objets à détecter Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 4 a, ces moyens 400 comprennent d'abord un circuit de multiplica- tion 43 de deux grandeurs f et g, liées la première au signal de sortie des moyens de rehaussement de contraste 200 et la seconde au signal de sortie des moyens de rehaussement de con- traste 300. De manière avantageuse, ces deux grandeurs peuvent être tout simplement lesdits signaux de sortie respectifs de ces moyens 200 et 300, mais ce n'est là qu'un exemple non limitatif En utilisant par exemple les notations suivantes x = signal de sortie des moyens 200; y = signal de sortie des moyens 300; k = contraste (ou différence de luminosité) entre le niveau de gris correspondant à un objet et la valeur mo- yenne du niveau de gris pour la zone de fond qui entoure cet objet; s = écart-type du bruit dans l'image N = le nombre de points du masque de filtrage utilisé dans les moyens 200; m = le nombre de points d'image voisins considérés dans les moyens 200; les grandeurs f et g peuvent alors être celles indiquées par les formules ( 11 et ( 2) en annexe de la présente description. Les expressions N() et erf() apparaissant dans ces formules sont ellesmêmes indiquées à l'aide des formules ( 3) et ( 4) également annexées, en remplaçant de manière évidente a et b par les valeurs correspondantes observées dans les formules ( 1) et ( 2) Cette deuxième approche, qui se réfère à une mise en oeuvre du critère dit du maximum de vraisemblance, est valable sous réserve de l'application d'hypothèses simplifica- trices (fond uniforme, dans lequel chaque point d'image est affecté d'un bruit gaussien additif indépendant, de moyenne nulle et de même variance). En sortie du circuit de multiplication 43, un cir- cuit de décision à seuil 44 permet l'extraction finale des si- gnaux considérés comme correspondant effectivement aux objets à détecter Dans un premier mode de réalisation, le circuit de décision 44 opère avec un seuil qui est simplement prédé- terminé en fonction du nombre maximal d'alarmes voulu. Dans un deuxième mode de réalisation, ce seuil est choisi de façon à optimiser un critère reliant la probabilité de fausse alarme et le taux de détection, par exemple le rapport du nombre d'objets détectés au nombre de fausses alarmes. Bien entendu, la présente invention n'est pas li- mitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, à partir desquels des variantes peuvent être proposées, tout en restant dans le cadre de l'invention En particulier, on a mentionné la présence, en sortie des moyens de rehaussement de contraste 200 ou 300, d'un circuit 35 de remplacement des dif- férences négatives par la valeur zéro Il est possible d'in- clure un circuit de ce type non pas dans ces moyens 200 ou 300, mais dans les moyens de sélection définitive 400, comme indiqué en trait interrompu sur la figure 4 a qui montre un circuit 41, placé entre la sortie des moyens de rehaussement de contraste 200 et l'entrée correspondante du circuit de mul- tiplication 43, ou bien sur la figure 4 b, qui montre la mise en place d'un circuit 42 similaire placé entre la sortie des moyens de rehaussement de contraste 300 et l'autre entrée du circuit de multiplication 43. On précisera également qu'il est extrêmement in- téressant que le dispositif décrit puisse fonctionner en temps réel Les différentes opérations élémentaires (filtrage li- néaire ou morphologique, différence, produit, tables de codage pour la mise en place des fonctions f et g, etc) sont alors réalisées à l'aide de cartes électroniques de traitement d'image disponibles sur le marché, telles que les cartes de marque déposée "Datacube' de la Société Datacube Inc, 4 Dearborn Road, Peabody, MA 01960, USA Une telle réalisation permet un fonctionnement du dispositif en temps réel, à la cadence vidéo. ANNEXE Formule ( 1): Nk, s/n(X) f(x) = / 1 _erfx-k) t e s/fnl Nos( 1 + n)(X) Formule ( 2): g(y) = Nk,s(Y) g(Y) = No,s$ 2 (y) Formule ( 3): 1 -(x-a)2/2 b 2 Na, b(X) = e Frub ( 2 Formule ( 4): 1 X y 2 erf(x) = I e 2 ir 2 o dy m-1 Revendications 1 Dispositif de détection d'objets dans une séquence d'images, caractérisé en ce qu'il comprend: (A) des moyens de recalage d'images d'une préci- sion sensiblement égale à la taille des objets à détecter; (B) des moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels à l'intérieur d'une image recalée; (C) des moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles entre deux images recalées; (D) des moyens de sélection définitive des signaux considérés comme correspondant aux objets à détecter. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels comprennent: (a) un filtre passe-bas prévu pour déterminer p moyennes locales de luminosité autour d'un point de ladite image recalée; (b) un circuit de calcul, pour p points dits voisins entourant un point de l'image recalée non filtrée, de la différence entre le signal de luminosité associé à ce point de l'image recalée non filtrée et le signal de luminosité associé dans l'image recalée filtrée à ces p points voisins (c) un circuit de sélection de la plus faible de ces différences; ladite détermination de moyennes 1 ledit calcul de différence, et ladite sélection étant prévus pour chaque point de l'image recalée non filtrée, à l'exception des points situés en bordure d'image. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles comprennent: (a) une mémoire de stockage temporaire de n images recalées antérieures à l'image recalée courante, n étant un nombre entier positif; (b) un circuit de calcul de la différence entre le signal de luminosité associé à chaque point de l'image recalée courante et le signal de luminosité associé à chaque point qui lui correspond spatialement dans la n-ième image recalée antérieure; (c) un circuit de sélection de l'une des plus faibles de ces différences. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles comprennent: (a) une mémoire de stockage temporaire de n images recalées antérieures à l'image recalée courante, n étant un entier positif; (b) un circuit de calcul de la différence entre le signal de luminosité associé à chaque point de l'image recalée courante et le signal de luminosité associé, dans la n-ième image recalée antérieure, au point correspondant spatialement audit point de l'image courante et aux p points qui entourent ce point correspondant; (c) un circuit de sélection de l'une des plus faibles de ces différences. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit circuit de sélection est un circuit de sélection de la plus faible de ces différences. 6 Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit circuit de sélection est un filtre de rang prévu pour éliminer une ou plusieurs des plus faibles différences ainsi calculées et sélectionner la plus faible des différences résiduelles après cette élimination. 7 Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels comprennent un circuit de remplacement des différences négatives par la valeur zéro. 8 Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles comprennent un circuit de remplacement des différences négatives par la valeur zéro. 9 Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de sélection définitive comprennent: (a) un circuit de multiplication de deux grandeurs liées aux signaux de sortie respectifs desdits moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels et desdits moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles; (b) un circuit de décision à seuil. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les moyens de sélection définitive com- prennent: (a) un circuit de remplacement des signaux de sortie négatifs du circuit de rehaussement du contraste des objets ponctuels par la valeur zéro; (b) un circuit de multiplication de deux grandeurs liées aux signaux de sortie respectifs dudit circuit de rem- placement et des moyens de rehaussement du contraste des objets mobiles; (c) un circuit de décision à seuil. 11 Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de sélection définitive comprennent: (a) un circuit de remplacement des signaux de sortie négatifs du circuit de rehaussement du contraste des objets mobiles par la valeur zéro; (b) un circuit de multiplication de deux grandeurs liées aux signaux de sortie respectifs des moyens de rehaussement du contraste des objets ponctuels et dudit cir- cuit de remplacement; (c) un circuit de décision à seuil. 12 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que lesdites grandeurs sont lesdits signaux de sortie respectifs. 13 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le seuil dudit circuit de décision est prédéterminé en fonction du nombre maximal d'alarmes voulu. 14 Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le seuil dudit circuit de décision est choisi de façon à optimiser un critère reliant la probabilité de fausse alarme et le taux de détection. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit critère à optimiser est le rapport du nombre d'objets détectés au nombre de fausses alarmes. 16 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que lesdits moyens de recalage, de rehaussement de contraste, et de sélection définitive sont organisés pour fonctionner en temps réel.