Brevet FR2669800A1 — publié le 19920529

Dispositif automatique de réglage de la luminosité d'images issues d'une caméra et caméra comportant un tel dispositif. L'invention se rapporte au domaine des caméras et a plus particulièrement pour objet un dispositif de réglage de la luminosité des images et une caméra, notamment thermique, comportant un tel dispositif.5 Dans une image constituée de plusieurs scènes, s'il y a trop de contraste, l'image est saturée et s'il n'y en a pas assez l'image apparaît entièrement grise; par exemple dans une image issue d'une caméra thermique, infra-rouge, il existe des éléments "chauds", notamment la terre, et des éléments froids, notamment le ciel Le gain (contraste) des caméras thermiques est commandé manuellement par l'opérateur, et le niveau moyen quant à lui n'est pas ajusté: ainsi une scène totalement froide peut donner la même image qu'une scène totalement chaude, c'est-à-dire une image grise.15 L'invention a pour but d'éviter ce défaut afin d'obtenir une image dans laquelle le niveau moyen de la luminosité est maintenu à une valeur convenable quel que soit le contenu de l'image, et notamment quel que soit le pourcentage de ciel dans l'image L'invention a donc pour objet un dispositif20 permettant de résoudre le problème de l'obtention d'une luminosité moyenne correcte par une commande de niveau moyen tenant compte du contenu de l'image automatiquement Pour cela l'invention met en oeuvre une commande automatique de niveau moyen à partir d'une analyse des images, de façon que le niveau moyen dans une zone dite zone de recalage connue a priori comme étant dans une zone de terre (à défaut dans une zone de ciel) soit maintenu à une valeur de référence. Selon l'invention, un dispositif automatique de réglage de la luminosité d'images issues d'une caméra, est caractérisé en ce qu'il comporte, dans un circuit de commande: un automate d'analyse statistique des images ( 100) effectuant la mise en mémoire des niveaux de luminosité d'un ensemble de points analysés répartis dans l'image, un dispositif de calcul du niveau moyen de la luminosité dans une zone dite de recalage choisie a priori dans une zone d'image et des moyens pour comparer ce niveau moyen mesuré à un niveau moyen de référence associé à la zone de recalage et déterminer une valeur d'erreur de niveau moyen, un circuit d'interface de commande de niveau moyen dont l'entrée reliée au microprocesseur ( 200) reçoit la valeur d'erreur de niveau moyen et dont la sortie, à relier à une entrée de correction correspondante de la caméra, fournit le signal de commande de niveau moyen associé destiné à minimiser cette valeur d'erreur par addition d'une valeur de correction à l'ensemble de l'image. Le principe de la solution mise en oeuvre dans la présente invention est donc une analyse de la luminosité d'une zone de l'image dite zone de recalage. L'invention a également pour objet une caméra, notamment une caméra thermique embarquée, comportant un tel dispositif. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit, en référence aux figures annexées. La figue 1 illustre une chaîne de traitement du signal issu d'une caméra infra-rouge, selon l'invention; La figure 2 illustre le schéma synoptique du dispositif de commande automatique selon l'invention; La figure 3 illustre le découpage en 96 zones des images pour l'analyse statistique effectuée par le dispositif suivant l'invention; La figure 4 est un schéma explicatif La figure 5 illustre des formes de zones de recalage de niveau moyen; La figure 6 est un schéma synoptique de la bouche d'asservissement de niveau moyen. La chaîne de traitement de signal d'une caméra thermique, infra-rouge, selon l'invention est représentée sur la figure 1 Elle comporte de manière classique un détecteur infra-rouge 10 et un circuit de coupure de la composante continue, représenté par un condensateur 20, formant un ensemble E, cet ensemble étant refroidi à -200 'C pour diminuer le bruit dans le signal utile Cet ensemble est suivi d'un10 amplificateur 30 Pour la commande de contraste, un amplificateur à gain variable 50 précédé d'un condensateur de découplage 40, est prévu, cet amplificateur est commandé manuellement par un opérateur La sortie de cet amplificateur est couplée à l'entrée d'un convertisseur analogique numérique15 80 via un condensateur 60, et via un additionneur 70 permettant d'ajouter au signal de sortie de l'amplificateur à gain variable un signal de commande Cv M, permettant un ajustement automatique du niveau moyen, fourni par un circuit de commande C.20 Le circuit de commande C illustré sur la figure 2 est principalement constitué d'un automate d'analyse statistique 100, ayant une entrée de données numériques ED et effectuant une analyse statistique de l'image,25 un microprocesseur 200, qui, à partir des résultats de cette analyse statistique élabore la valeur de consigne nécessaire à la commande de niveau moyen (luminosité); un circuit d'interface 400, pour transmettre un signal de commande de niveau moyen CVM à l'additionneur de la chaîne de traitement. L'automate d'analyse statistique de l'image 100, dans un mode de réalisation, fonctionne de la manière suivante: Dans une première phase, après une demande d'acquisition de signaux de commande par le microprocesseur 200, l'image est découpée en 96 zones élémentaires ZE portant chacune un numéro, et, pour chacune de ces zones un histogramme des valeurs de luminance est établi Les 96 zones sont organisées en 12 zones par ligne d'image et 8 zones par colonne d'image, comme illustré par la figure 3 Dans un mode5 de réalisation, l'histogramme d'une zone est établi à partir d'un nombre limité de points, soit 256 points par zone pour une image constituée de 510 lignes de 780 points sur le détecteur: pour cela, dans le sens horizontal seul 1 point sur 4 est analysé (soit 16 points par ligne pour chaque zone) et dans le10 sens vertical, dans chaque zone, seule une ligne sur deux des trames paires est analysée (soit 16 lignes). En pratique, lorsque le microprocesseur demande une acquisition, celle- ci est effectuée pendant la trame suivante de durée 16 ms Les valeurs de luminance des points sont stockées15 dans une mémoire de l'automate d'analyse statistique 100 de 8 K octets, pour stocker 96 fois 64 octets, si les niveaux de luminosité de l'image sont numérisés sur 64 niveaux A la fin de l'analyse le microprocesseur est interrompu Il peut alors, en lisant la mémoire effectuer son traitement Avant un nouveau20 traitement le microprocesseur efface la mémoire. La figure 4 illustre un exemple d'histogramme donnant pour chaque niveau de luminosité 1 de O à 63 le nombre N ( 1) des points analysés dans chaque zone ayant ce niveau (la somme des points analysés de chaque zone est égal à 256 dans le mode de25 réalisation décrit) L'histogramme d'une zone est donc constitué de 64 octets, un octet pour chaque niveau de luminosité, chaque octet donnant le nombre de points de la zone ayant le niveau correspondant au rang de cet octet. Pour maintenir automatiquement le niveau moyen à une valeur convenable, une zone dite zone de recalage est déterminée dans l'image, et un asservissement de niveau moyen est effectué pour maintenir la luminance moyenne, dans cette zone de recalage de l'image, constante. La partie la plus intéressante de l'image est celle montrant la terre Aussi, tant que la terre apparaît sur l'image, l'asservissement est appliqué à partir une zone de recalage choisie a priori dans une zone de "terre" pour y maintenir une luminosité constante. Dès que la terre disparaît de l'image, ce qui arrive notamment lorsque les images sont prises par des systèmes embarqués à bord d'aéronefs, l'asservissement est appliqué à une zone de ciel, mais, pour assurer la continuité, la luminance moyenne de la zone de ciel est maintenue au niveau qu'elle avait juste avant la disparition de la terre de l'image. La zone de recalage est un ensemble de zones élémentaires ZE telles que définies ci-dessus contiguës dans l'image (chaque ZE ayant au moins un côté commun avec une autre zone ZE) En pratique une zone de recalage peut contenir, 6, 8, ou 12 zones élémentaires ZE Une zone de recalage est définie par deux octets; le premier octet désigne la position de la zone dans l'image et le second définit la forme de la zone de recalage La position de la zone utilise une numérotation des zones qui peut être celle indiquée sur la figure 3, et, parmi les zones élémentaires ZE formant la zone de recalage ZR, c'est le numéro de la zone élémentaire la plus à gauche de la ligne la plus haute qui est transmise: par exemple, pour la zone de recalage ZR à 6 ZE représentée à titre d'exemple sur la figure 3, dont la forme est désignée par le numéro 7, la zone est désignée par les octets ZR ( 64; 7) Les zones de recalage à 6, 8, 12 zones élémentaires sont illustrées sur la figure 5 qui précise par des hachures la zone élémentaire dont la position dans l'image donne la position de la zone de recalage. Après une acquisition, la moyenne de la luminosité de cette zone de recalage est calculée à partir des histogrammes des zones élémentaires constituant cette zone de recalage, qui ont été acquis par l'automate d'analyse statistique 100 Cette moyenne est le niveau moyen de luminosité mesuré sur une trame: (Lm)mes Cette mesure est ensuite comparée au niveau moyen de référence de terre (Lm) Ref T L'erreur évaluée par différence est filtrée par le correcteur d'une boucle d'asservissement décrite ci-après Lorsque la zone de recalage de terre existe dans l'image, le niveau de luminosité moyenne de référence est constant Si la luminosité de l'image varie de O pour des températures chaudes à 63 pour les températures froides comme indiqué ci-dessus, en contraste positif les points chauds apparaissent en blanc et les points froids en noir En contraste positif, la luminosité moyenne de référence est choisie égale à 37 dans le mode de réalisation décrit Un contraste négatif pourrait être choisi; Dans ce cas le niveau de luminosité de référence (Lm)ref serait égal à 63 moins le niveau moyen de référence de terre égal 37, c'est-à-dire égal à 26 La sélection du type de contraste permet de mieux voir les points chauds en contraste positif dont les niveaux sont entre O et 37 ou les points froids en contraste négatif dont les niveaux sont entre 26 et 63. Comme il a été indiqué ci-dessus, lorsque la terre a disparu de l'image, il est nécessaire de maintenir le niveau moyen d'une zone de recalage de ciel au niveau moyen qu'elle avait juste avant la disparition de la terre Pour cela, tant que la terre est apparente, les histogrammes de luminosité de la dernière zone de recalage de ciel sont sauvegardés Dès que la terre disparaît de l'image le niveau moyen de la zone de recalage de ciel sauvegardée est calculé, soit (LM)ref C. Ensuite, selon le type de contraste à l'instant de la25 sauvegarde, une éventuelle correction est appliquée en contraste positif (Lm)Ref C = (Lm)Ref C en contraste négatif (Lm)Ref C = 63 (Lm)Ref C. Puis à chaque nouvelle acquisition, tant que la terre ne réapparaît pas, le niveau moyen de la zone de recalage du ciel est maintenu à la valeur de référence ainsi établie. Pour obtenir l'asservissement, la commande analogique est appliquée par logiciel via un convertisseur numérique- analogique dans le circuit d'interface 400 dont le pas de quantification est 10 m V Le circuit d'interface 400 filtre35 cette commande analogique à travers deux filtres passe-bas dont les fonctions de transfert dans un mode de réalisation ont été choisies respectivement à 1/1 + 0, 022 p et l'autre à 1/1 + 0, 047 p. Comme illustré sur la figure 1 la commande ainsi filtrée CVM est ajoutée au signal vidéo de l'ensemble de l'image via l'additionneur 70 avant conversion analogique-numérique par le convertisseur 80, cette dernière étant effectuée avec un pas de quantification de 33 m V Le calcul du niveau moyen étant effectué sur des zones de recalage de 6, 8 ou 12 zones élémentaires ZE, le résultat brut donne donc 6, 8 ou 12 fois le niveau moyen Pour éviter de diviser par 3, le résultat est ramené quel que soit le nombre de zones élémentaires à 3 fois le niveau moyen, le rapport des pas de quantification du convertisseur analogique du circuit d'interface gain à celui du convertisseur analogique-numérique 80 de la chaîne d'organisation du signal étant égal à 1/3 ( 10:33) La division par trois est ainsi réalisée par matériel. Le retard pur dû à l'acquisition et au traitement est de 80 ms, et le retard pur sensiblement équivalent à l'échantillonneur-bloqueur formant le convertisseur numérique-analogique est égal à 40 ms, soit un retard total de ms La fonction de transfert est alors exp(-0,120 p). Le schéma fonctionnel de la boucle d'asservissement du niveau moyen ayant les caractéristiques mentionnées ci-dessus est illustré sur la figure 6 Il comporte un soustracteur 11, recevant d'une part le niveau moyen de référence (Lm) réf de terre T ou à défaut de ciel C et d'autre part le niveau moyen mesuré (Lm)mes Ce soustracteur est suivi d'un amplificateur K'p, 12 et d'un correcteur 13 dont le but est d'assurer la stabilité de la boucle et d'annuler l'erreur sur le niveau moyen en régime permanent Ce régime permanent est par hypothèse une image dont la luminosité moyenne est constante Compte tenu des hypothèses ci- dessus, ce correcteur, réalisé par logiciel, est essentiellement un intégrateur simple; ainsi l'asservissement est de classe 1 La boucle fait apparaître la fonction de transfert 14 correspondant au retard total ( 120 ms) puis la conversion 15 par le convertisseur CNA du circuit d'interface 400, et les deux filtrages passe-bas, 16 et 17 et la conversion 18 par le convertisseur CAN Le traitement de l'image 1 permettant d'obtenir les histogrammes des zones élémentaires est suivi du traitement 19, nécessaire à la mesure de niveau moyen comme indiqué ci-dessus A partir des histogrammes de la zone de recalage ZR (chaque histogramme d'une zone élémentaire ZE comprend 64 octets N(l), 1 variant de 0 à 63) le niveau moyen de la zone de recalage multiplié par 3 est donc calculé par la formule suivante: 3 I k)'r 3 (Lm)mes= x -I H( 1) (NZE) ZR 256 1 = 0 (NZE)ZR (NZE)ZR est le nombre de zones élémentaires dans la zone de recalage choisie. Le rapport 1/256 assure la moyenne sur 256 points par histogramme Le rapport 1/(NZE)ZR assure la moyenne sur l'ensemble des histogrammes des ZE correspondant à la zone de recalage. Ainsi, avec cette correction des niveaux moyens les niveaux de gris de la terre ne dépendent plus du pourcentage de ciel dans l'image De plus on évite la saturation et les détails de l'image sont toujours vus Cette commande de niveau moyen est particulièrement utile pour les systèmes embarqués car le pourcentage de ciel dans l'image peut varier fortement et une correction de gain seule entraînerait corrélativement des25 variations importantes de la luminance moyenne dans les zones utiles de l'image Pour le choix des zones de recalage, le système peut tenir compte de la position de l'horizon dans l'image; en effet, dans un système embarqué, le calculateur à bord de l'avion sait déterminer o est l'horizon dans l'image et 30 donc en déduire des zones de recalage connues a priori dans la partie terre ou dans la partie ciel de l'image. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et illustré En particulier, il ressort de la description que la commande de niveau de luminosité est appliquée avant d'effectuer la conversion analogique numérique Ce mode de réalisation est préféré car la correction ainsi appliquée est plus facile à mettre en oeuvre Cependant il est possible d'introduire cette correction en numérique après la conversion analogique-numérique. De plus, le calcul du niveau moyen pris de l'erreur de niveau moyen est effectué dans le mode de réalisation décrit ci-dessus par un système de traitement numérique mettant en oeuvre un microprocesseur travaillant à partir de valeurs acquises par un automate d'analyse statistique par zones élémentaires. Il est également possible d'effectuer le traitement nécessaire au calcul de l'erreur de niveau moyen dans un automate analysant directement les valeurs de luminance de points répartis dans la zone de recalage choisie Les composants utilisés pour réaliser le circuit de commande sont préférentiellement des composants de technologie HCMOS pour minimiser l'élévation de température. L'invention S 'applique notamment aux caméras infra-rouge mais est également applicable aux autres caméras, notamment dans le domaine visible. REVENDICATIONS 1 Dispositif automatique de réglage de la luminosité d'images issues d'une caméra, caractérisé en ce qu'il comporte, dans un circuit de commande (C): un automate d'analyse statistique des images ( 100) effectuant la mise en mémoire des niveaux de luminosité d'un ensemble de points analysés répartis dans l'image, un dispositif de calcul du niveau moyen de la luminosité dans une zone dite de recalage choisie a priori dans une zone d'image et des moyens pour comparer ce niveau moyen10 mesuré à un niveau moyen de référence associé à la zone de recalage et déterminer une valeur d'erreur de niveau moyen, un circuit d'interface de commande de niveau moyen ( 400) dont l'entrée reliée au microprocesseur ( 200) reçoit la valeur d'erreur de niveau moyen et dont la sortie, à relier à une entrée de correction correspondante de la caméra, fournit le signal de commande de niveau moyen (C Vm) associé destiné à minimiser cette valeur d'erreur par addition d'une valeur de correction à l'ensemble de l'image. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'automate analyse l'image à partir d'un ensemble de n zones élémentaires couvrant l'image. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'automate d'analyse statistique analyse un ensemble de points constitué à partir d'un point sur P d'une25 ligne sur L des trames paires pour des images formées par la caméra à partir de trames entrelacées. 4 Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que, chaque zone élémentaire comportant 256 points analysés, l'automate d'analyse statistique comporte une30 mémoire répartie en N zones comportant chacune autant d'octets que de niveaux de luminosité possibles pour l'image. il Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone de recalage est choisie dans une zone d'image connue a priori comme étant une zone de terre. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une zone de recalage supplémentaire est choisie dans une zone d'image connue a priori comme étant une zone de ciel et sauvegardée à chaque nouveau calcul de niveau moyen de la luminosité dans la zone de recalage de terre, la valeur moyenne de la luminosité dans la dernière zone de ciel sauvegardée étant utilisée comme référence de niveau moyen de l'image lorsque la zone de terre disparaît de l'image. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de recalage est formée d'un ensemble de N zones élémentaires contigues. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que N est choisi parmi les valeurs 6, 8 et 12. 9 Caméra comportant un détecteur de signal d'image et une chaîne de traitement analogique de ce signal, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un dispositif automatique de réglage de la luminosité des images selon l'une des revendications précédentes, et un additionneur ( 70) prévu dans la chaîne de traitement de signal pour recevoir d'une part le signal d'image et d'autre part la valeur d'erreur de niveau moyen. 10 Caméra selon la revendication 9, caractérisée en ce que, le signal d'image est converti en numérique par un convertisseur analogique- numérique ( 80) dont la sortie est reliée à l'entrée du circuit de commande (C), la valeur d'erreur de niveau moyen étant convertie en analogique par le circuit d'interface de niveau moyen ( 400) relié à l'additionneur ( 70) placé dans la chaîne de traitement analogique.