Brevet FR2704075A1 — publié le 19941021

CORREIATEUR OPTIQUE L'invention concerne un corrélateur optique et plus particulièrement un système permettant d'identifier des images. Plus précisément, l'invention se rapporte à un système optique incohérent reprogrammable de mesure du produit de corrélation de deux images, pour des applications de reconnaissance de formes. Dans de nombreuses applications de reconnaissance de formes, le problème est de reconnaître un objet de petites dimensions dans une scène. Si l'image de la scène peut être de grande résolution, par exemple comporter 256 par 256 ou 512 par 512 pixels, la sous-partie de cette image qui contient l'objet peut ne comporter, par exemple, que 64 par 64 pixels ou moins (figure 1). I1 s'agit de tenir compte de cette propriété pour réduire le coût et l'encombrement du système optique, et en particulier de réduire le nombre des éléments optiques nécessaires. L'objet d'un corrélateur est de réaliser le produit de corrélation de deux images. Par convention, nous nommons ces deux images scène et filtre, comme il est d'usage en reconnaissance des formes. Le filtre est prédéterminé pour que le résultat de sa corrélation avec la scène donne une information sur la présence de l'objet dans la scène, etlou sur la position de l'objet dans la scène, et/ou tout autre information dépendant de l'application particulière considérée. De façon générale, les dimensions du filtre sont du même ordre que celles de l'objet. Mathématiquement, le produit de corrélation C de la scène X avec le filtre Hs'écrit: où la sommation s'étend à tous les pixels de l'image filtre. Une première solution connue pour réaliser cette opération est l'utilisation d'un calculateur numérique. Cette méthode permet d'obtenir un résultat très précis. Cependant, si le système doit être de faibles coût et encombrement, le processeur numérique ne pourra pas être très rapide. Différents montages optiques holographiques permettent de calculer un produit de corrélation en parallèle (figure 2). Es utilisent des Modulateurs Spatiaux de Lumière (MSL) pour introduire les images scène et filtre. Un modulateur spatial de lumière MSL1 affiche une image filtre. Un modulateur spatial de lumière MSL2 affiche une image scène. Une source lumineuse éclaire en série les modulateurs MSL1 et MSL2 et un détecteur CA (caméra) détecte le produit de corrélation de ces deux images. Des lentilles assurent les focalisations appropriées. Si ces montages sont potentiellement rapides, ils nécessitent l'emploi d'éléments optiques de bonne qualité, donc coûteux, et sont de plus généralement encombrants. Une autre solution optique connue pour réaliser l'opération de corrélation, est le montage de type "Shadow-Casting" (SCC), qui fonctionne en lumière spatialement incohérente, et utilise généralement des modulateurs spatiaux de lumière. Un tel montage SCC est représenté en figure 3. ll comporte un premier modulateur spatial de lumière MSL1 qui est éclairé par une source d'éclairage, et le faisceau modulé est transmis par l'intermédiaire d'un diffuseur et une lentille L1 à un deuxième modulateur SML2. Le plan de corrélation des deux modulateurs est imagé par une deuxième lentille L2 sur un détecteur (caméra). Son principe de fonctionnement repose sur les lois de l'optique géométrique, et ne nécessite pas d'éléments coûteux. Cependant, sa résolution est théoriquement limitée par rapport aux deux solutions précédentes, à cause des effets de la diffraction. Le problème qui doit être résolu est d'améliorer les systèmes de corrélation optique incohérents reprogrammables de type SCC, en tenant compte de l'hypothèse que l'image filtre est de dimensions réduites par rapport à l'image scène. Plus précisément, la résolution doit être améliorée, tout en diminuant le nombre d'éléments optiques nécessaires, afin de réduire le coût et l'encombrement du système. Selon l'invention, on propose de tenir compte 9 la fois de la structure en pixels des modulateurs spatiaux reprogrammables et de la différence de dimensions entre la scène et le filtre, pour obtenir le produit de corrélation optique entre ces deux images sans utiliser de lentilles et en réduisant les effets de la diffraction. L'invention concerne donc un corrélateur optique caractérisé en ce qu'il comporte au moins une source d'image diffusante filtre, un modulateur spatial de lumière affichant une image de scène, au moins un photo détecteur recevant la lumière issue des différents points de l'image filtre et passant par l'image de scène, les deux images étant de dimensions différentes et le photo détecteur étant situé au centre d'homothétie des deux images. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple d'image scène comportant l'image d'un objet à identifier - la figure 2, un exemple de montage optique cohérent connu sous le nom de montage de VANDER LUGT pour obtenir le produit de corrélation de deux images; - la figure 3, le schéma d'un corrélateur incohérent connu sous le nom "Shadow-Casting" (SCC); - la figure 4, un schéma simplifié d'un système selon l'invention; - la figure 5, un exemple de structure d'un modulateur spatial utilisé dans l'invention; - la figure 6, un schéma explicatif de l'invention; - les figures 7a, 7b, un exemple d'une image filtre et d'une image scène selon l'invention;; - la figure 8, un exemple de l'invention permettant un multiplexage temporel de plusieurs corrélations; - la figure 9, un exemple de l'invention permettant un multiplexage spectral de plusieurs produits de corrélations; - la figure 10, un exemple de l'invention permettant d'associer plusieurs senseurs d'images à un même afficheur d'images de scènes; - la figure 11, un système selon l'invention comportant des dispositifs mobiles. La figure 4 représente un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. I1 comporte en premier un modulateur spatial de lumière MSL1 associé à un diffuseur DIF et éclairé par une source de lumière incohérente S. La lumière transmise par le modulateur MSL1 et le diffuseur DIF traverse un deuxième modulateur spatial MSL2 et atteint un détecteur ou caméra CA. Les deux modulateurs MSL1 et MSL2 affichant deux images mises en corrélation. Le dispositif est tel que, selon l'invention, lorsqu'il y a correspondance entre les deux images, les deux images sont homothétiques et la caméra CA est située dans un plan contenant le centre d'homothétie. La source de lumière incohérente S éclaire uniformément le premier modulateur spatial de lumière MSL1. Sur celui-ci est inscrite l'image du filtre. Cette image est projetée sur le diffuseur DIF placé immédiatement derrière le premier modulateur MSL1. La lumière diffusée passe à travers un second modulateur spatial de lumière MSL2 situé à la distance d du premier modulateur MSL1, et sur lequel est inscrite l'image de la scène. La caméra CA située à la distance p du second modulateur MSL2 détecte le produit de corrélation. Les deux modulateurs MSL1 et MSL2 sont constitués d'une matrice de pixels régulièrement espacés (figure 5). Nous adoptons la notation-vectorielle explicitée sur la figure 6. Chaque point du premier modulateur MSL1 est repéré par ses coordonnées r1 = (x1, y). De même, chaque point du second modulateur MSL2 est repéré par ses coordonnées r2 = (x2, y2), et chaque point du plan de la caméra est repéré par ses coordonnées r' = (x', y'). Avec ces notations, tout faisceau arrivant au point r' du plan de la caméra, et qui est issu du point r1 du premier modulateur MSL1, est passé par le point r2 du second modulateur MSL2 tel que: r, -r' r2 r2 r' d+p p Cette relation devient: si nous posons: G = P (2) p Chaque point r' du plan de la caméra reçoit les rayons issus de tous les points r1 du diffuseur qui ont traversé le premier modulateur MSL1 , puis le second modulateur MSL2 (x). Nous avons donc pour l'énergie reçue par la caméra: L'équation 3 ressemble à l'équation 1, qui est la définition du produit de corrélation des images H et X.Elle montre que pour obtenir le produit de corrélation des images H et x, il faut que le filtre soit agrandi G fois par rapport à la scène, ce qui est illustré sur les figures 7a et 7b. Revenons à l'application de reconnaissance de formes visée. Le nombre de pixels de l'image scène est déterminé par l'application. Nous connaissons également la taille de la cible recherchée, et donc du filtre correspondant. Choisissons d'agrandir d'un facteur G le filtre. Pour réaliser cette condition, nous pouvons: . utiliser un premier modulateur MSL1 dont les pixels sont physiquement G fois plus grands que ceux du deuxième modulateur; utiliser un premier modulateur MSL1 identique au second modulateur en agrandissant G fois l'image du filtre (figure 7); utiliser une combinaison des deux solutions ci-dessus. La distance d est alors fixée par la taille physique des modulateurs pour que le système ne soit pas trop ouvert. Enfin, la donnée de G et d détermine la distance p, qui donne l'emplacement de la caméra, par l'équation 2. La résolution du système décrit précédemment est limitée par la diffraction. Plus la distance p est faible, moins la perte de résolution due à la diffraction est importante. L'équation 2 peut s'écrire: d (4) P G-l (4) ce qui montre que plus le rapport G des dimensions de la scène et du filtre est grand, moins la perte de résolution due à la diffraction est importante. Pratiquement, on a intérêt à choisir un facteur de grandissement G le plus grand possible, afin de rapprocher la caméra CA du second modulateur MSL2. Les différents éléments nécessaires, modulateurs spatiaux de lumière et caméra, sont disponibles sur le marché de l'électronique grand public. De plus, aucun élément optique supplémentaire n'est nécessaire. Le système proposé est donc peu coûteux. Avec des composants usuels, l'encombrement latéral du montage est faible, généralement inférieur à 4 cm. L'encombrement longitudinal du montage défini par la distance du premier modulateur MSL1 à la caméra CA est lui aussi faible, généralement limité à 10 cm. Le système proposé est donc peu encombrant. Nous avons vu que le premier modulateur MSL1 peut n'avoir que peu de pixels par rapport au second. Or, moins un modulateur spatial de lumière possède de pixels, plus sa cadence de fonctionnement peut être élevée. Donc, dans le temps d'une trame du second modulateur MSL2 nous pouvons utiliser un grand nombre de trames du premier, c'est-à-dire un grand nombre de filtres. Nous réalisons ainsi un multiplexage temporel des filtres. Par exemple, le second modulateur MSL2 pourra être un écran à cristaux liquides de grande résolution, du type utilisé en projection vidéo, qui fonctionne à la cadence vidéo ; le premier modulateur MSL1 pourra être un modulateur à cristaux liquides ferro-électriques, qui fonctionne à une cadence de 1 kHz. 30 à 40 images filtres différents pourront donc être employés en une trame vidéo d'une image scène du deuxième modulateur. La figure 8 représente un exemple de système permettant de mettre en application un tel fonctionnement. Le modulateur MSL2 reçoit d'un dispositif d'affichage les images scènes à afficher. Le modulateur MSL1 est commandé par une mémoire M et un dispositif de commande CC. La mémoire M contient un ensemble d'images filtres. Le circuit de commande CC commande l'affichage des différentes images filtres de la mémoire M par le modulateur MSL1. Le circuit de commande CC peut être commandé par le dispositif AFF de façon qu'à chaque image scène, le circuit CC commande l'affichage d'un nombre choisi d'images filtres. De plus, selon une variante de réalisation, la source d'image diffusante (MSLî) permet d'afficher la même image avec des couleurs inversées (en positif et puis en négatif par exemple). La figure 9 représente un système permettant de réaliser un multiplexage spectral de plusieurs images filtres. Le principe du système étant basé sur les lois de l'optique géométrique, nous pouvons utiliser simultanément plusieurs éclairages dont les spectres ne se recouvrent pas, chacun de ces éclairages traversant un filtre donné, et les recombiner pour illuminer la scène. Le système d'acquisition doit ensuite séparer les différentes bandes spectrales pour isoler les différents produits de corrélation. La figure 9 donne un exemple de ce principe pour deux filtres. Les différentes bandes spectrales peuvent être obtenues par filtrage en longueur d'onde d'une unique source, et/ou en utilisant plusieurs sources différentes. Les modulateurs MSL(a) et MSL(b) affichent des images filtres différentes. Le modulateur MSLl(a) et le diffuseur D(a) sont éclairés par une source émettant une lumière située dans une gamme de longueur d'onde, à B(a) par exemple. Le modulateur MSLî(b) et le diffuseur D(b) sont éclairés par une source émettant une lumière à une autre gamme de longueur d'onde, A(b) par exemple. Les deux faisceaux aux longueurs B(a) et B(b) sont ensuite combinés par un coupleur C, un cube dichroique par exemple. Le faisceau combiné est transmis au modulateur MSL2. La caméra CA reçoit donc le produit de corrélation de l'image filtre du modulateur MSL1(a) avec l'image scène de MSL2 ainsi que le produit de corrélation de l'image filtre de MSL1(b) avec l'image scène de MSL2. La caméra CA possède des éléments de détection sensibles les uns à la longueur d'onde B(a) et d'autres à la longueur d'onde B(b). La caméra CA est donc capable de séparer les produits de corrélation qu'elle reçoit. La figure 10 décrit un système où des images acquises par plusieurs senseurs différents observant la même scène peuvent être envoyées séquentiellement sur le second modulateur MSL2. Ces senseurs peuvent fonctionner dans des bandes spectrales différentes (visible, infra-rouge...), et/ou suivant des principes d'imagerie différents (imagerie optique, radar...). Les images de corrélation avec des filtres adaptés à chacun des senseurs sont récupérées en sortie du corrélateur, où les informations qu'elles contiennent seront fusionnées. La figure 10 est donc une variante du système de la figure 9 qui est applicable également au système de la figure 8. Des senseurs S1, S2, ... Sn permettent d'afficher successivement des images scènes de types différents par le modulateur MSL2. Durant l'affichage d'une image scène de chaque type, les modulateurs MSL1(a) et MSLl(b) affichent chacun au moins une image filtre. En commandant chaque modulateur MSL1(a) et MSLl(b) séparément comme expliqué en se reportant à la figure 8, on peut également durant l'affichage par MSL2 d'une image déterminée, afficher plusieurs images successives sur les modulateurs MSL1. Selon la figure 11, le système de l'invention peut comporter un détecteur mobile ou dispositif de prise de vues DEC. Un système de calcul de trajectoire TR détermine la trajectoire du dispositif de prise de vues DEC par rapport à un objet OB à identifier. Un circuit de commande CCU détermine notamment la distance du dispositif de prise de vues par rapport à l'objet. Lorsque cette distance atteint une gamme de valeurs déterminées il commande la transmission, au modulateur spatial SML2, des vues prises par le dispositif de prise de vues DEC ou, si ces vues sont transmises, le fonctionnement du système décrit précédemment. Selon une variante de l'invention l'ensemble du système est mobile et il possède une centrale pour calculer à tout moment sa position par rapport à l'objet à identifier. Dans ce qui suit, on précise des variantes ou des modes de réalisation particuliers: - L'ensemble constitué de la source, du premier modulateur MSL1 et du diffuseur D (figure 5), peut être remplacé par une matrice de sources incohérentes et indépendantes. Celle-ci peut être par exemple un écran d'un tube à rayons cathodiques ou une matrice de lasers. - Le diffuseur associé au modulateur MSL1 peut être soit sur une surface dépolie, soit un hologramme naturel ou synthétique. Le choix de placer ce diffuseur juste derrière le premier modulateur MSL1 est avantageux car il permet d'adapter l'éclairage aux propriétés optiques du MSL1, qui doit généralement être éclairé par un faisceau collimaté pour être le plus performant. - La source spatialement incohérente éclairant le premier modulateur MSL1 peut être soit une source de lumière blanche, soit une source monochromatique ou quasi-monochromatique. On voit donc que selon l'invention telle que décrite, on agrandit l'image du filtre pour ramener le plan de corrélation à distance finie, et placer le détecteur dans ce plan, afin de n'utiliser aucune lentille pour former le produit de corrélation optique, tout en augmentant la résolution au niveau de la scène. Le système obtenu est très compact et de faible coût. De plus, les modulateurs utilisés sont reprogrammables et sont adaptés aux dimensions des images scène et filtre pour améliorer les systèmes existants, et donc l'architecture résultante. Les domaines couverts par l'invention concernent: o les domaines militaires: - observation du champ de bataille; - renseignements; - reconnaissance; - identification; - guidage terminal de munitions, missiles, drônes, cargos ... sur cibles fixes ou mobiles (terrestre, navale, aériennes); - détecteur de reconnaissance pour mines intelligentes... les domaines civils: - reconnaissance d'objets; - tri, sélection; - reconnaissance de formes (déplacement de robot, identification, classement...); - robotique industrielle et environnement pollués. REVENDICATIONS 1. Corrélateur optique caractérisé en ce qu'il comporte au moins une source (S) d'image filtre diffusante, un modulateur spatial de lumière (MSL2) affichant une image de scène, au moins un photo détecteur (CA) recevant la lumière issue des différents points de l'image filtre et passant par l'image de scène, les deux images étant de dimensions différentes et le photo détecteur (CA) étant situé au centre d'homothétie des deux images. 2. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'image diffusante (MSLî) est programmable de façon à émettre des images de dimensions et/ou formes différentes. 3. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image diffusante filtre et l'image de scène ont des définitions différentes. 4. Corrélateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sourced'image diffusante filtre comporte une source de lumière incohérente qui éclaire un modulateur spatial de lumière (MSL1) affichant une image filtre auquel est accolé un diffuseur de lumière (DIF). 5. Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les modulateurs spatiaux de lumière (MSL1, MSL2) et le photodétecteur (CA) sont dans des plans parallèles (P1, P2, P3) entre eux et le photodétecteur (CA) comporte plusieurs cellules de photodétection. 6. Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'image filtre et l'image de scène sont constituées d'éléments images et qu'à un élément de l'image filtrée correspond plusieurs éléments de l'image de scène. 7. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il ne comporte pas de lentilles entre les deux modulateurs (MSL1, MSL2) ni entre les modulateurs et le photodétecteur (CA). 8. Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les modulateurs sont des écrans à cristaux liquides. 9. Corrélateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source d'image diffusante filtre est un tube à rayons cathodiques ou une matrice de lasers. 10. Corrélateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le diffuseur (DIF) est une plaque dépolie ou un hologramme. 11. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs sources d'images diffusantes filtres spatialement émettant de la lumière de longueurs d'ondes différentes, les différents faisceaux émis par ces sources étant combinés transmis au modulateur spatial (MSL2) affichant l'image de scène, le photo détecteur (CA) détectant séparément les faisceaux des différentes longueurs d'ondes. 12. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'image diffusante filtre permet d'afficher la même image avec des couleurs inversées (en positif et puis en négatif par exemple). 13. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'image filtre comporte un modulateur à cristaux liquides ferroélectriques et le modulateur d'image de scène (MSL2) est un modulateur à cristaux liquides de type utilisé en projection vidéo. 14. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire d'images filtres (M) associée à la source d'images filtres et un circuit de commande (CC) permettant de commander l'affichage de plusieurs images filtres pendant l'affichage d'une image scène. 15. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs sources d'images filtres (MSL(a), MSL(b)) émettant à des longueurs d'ondes différentes (X(a), S(b)), un coupleur (C) combinant les faisceaux émis par ces sources et les retransmettant au modulateur d'image de scène ; le photo détecteur (CA) comportant différents éléments sensibles aux différentes longueurs d'ondes. 16. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs capteurs capables de détecter et de fournir au modulateur spatial de lumière (SML2) différentes images de différents types. 17. Corrélateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif mobile de prise de vues (DEC), un système de calcul (TR) de la trajectoire du dispositif mobile de prise de vues, par rapport à un objet à identifier, un système de commande (CCU) détectant la position du dispositif mobile de prise de vues par rapport à l'objet et commandant, lorsque le dispositif mobile de prise de vues est à une distance déterminée de l'objet, la transmission, au modulateur spatial de lumière d'images de scène (SML2) des images prises par le dispositif de prise de vues.