Brevet FR2709631A1 — publié le 19950310

PROCEDE D'IMAGERIE PANORAMIQUE DE SURVEILLANCE ET D'IDENTIFICATION INTEGRANT UNE CAMERA A BALAYAGE ET SYSTEME DE MISE EN OEUVRE Le domaine de l'invention se rapporte à la protection d'un site ou d'un mobile de valeur et, plus précisément, à la surveillance passive d'un espace et à l'identification d'objets pouvant apparaître dans l'espace surveillé pour effectuer une telle protection. La surveillance passive met en oeuvre une imagerie opérant dans les bandes spectrales visible, proche infrarouge, infrarouge ou infrarouge lointain. Une telle surveillance est complétée en général par une surveillance active utilisant des moyens électromagnétiques classiques, par exemple des radars. L'invention a pour objet un procédé d'imagerie intégrant une caméra à balayage et destiné à pouvoir remplir les fonctions de surveillance et d'identification. L'invention a également pour objet un système d'imagerie de mise en oeuvre utilisant de préférence une caméra infrarouge. Classiquement, les fonctions de SuI veillance et d'identification sont réalisées indépendamment à l'aide cie deux équipements différents spécialisés. Cette solution est très pénalisante en coût, masse et encombrement. Il est également connu d'effectuer une fonction de surveillance à l'aide d'une caméra à balayage par transformation, à l'aide d'un jeu d'au moins trois miroirs, d'une ligne horizontale de balayage d'une caméra bloqué sur cette ligne, en une ligne verticale, puis balayage du champ par rotation du dernier miroir. La fonction d'identification d'un objet, repéré en mode de surveillance, est ensuite obtenue par escamotage du jeu de miroirs et remise en route du balayage vertical pour une visualisation classique dans la direction de l'objet repéré. Les inconvénients d'un tel système sont multiples - mise en oeuvre d'un jeu de miroirs supplémentaire avec mécanisme d'escamotage encombrant - balayage horizontal, en mode siirvelllance, limité à 30-40 du fait de la zone restreinte du balayage utilisable; - mise en oeuvre complexe, lourde et coûteuse. Un autre système combine une caméra à balayage monodirectionnel dont l'axe est alors disposé verticalement, à un miroir de coudage optique tournant autour de l'axe vertical et associé à une optique de dérotation pour redresser l'image. Cet ensemble ne permet pas de réaliser un balayage panoramique performant et met en oeuvre des élément s fragiles, encombrants et coûteux. I1 existe également des systèmes de prise de vue panoramique spécialement conçues pour réaliser la dorlble mission de surveillance et d'identification : ces systèmes comportent une barrette détectrice verticale associée à un système de balayage horizontal spécifique pour former, suivant la vitesse de balayage, aussi bien une image à 50 Hz dans un champ limité qu une image panoramique par rotation en continu à fréquence moins élevée. De tels systèmes d'imagerie, qui ntlltilisent pas de caméra à balayage vertical, sont d'un coût prohibitif et ont des performances limitées . champ en site pell étendu (7 à 8 degrés), mauvaise résolution et faible portée. Afin de réaliser un système d'imagerie panoramique de surveillance et d'identification, qui soit dc conccption simple et peu coûteux, l'invention repose sur l'utilisation inhabituelle d'une caméra à balayage vertical disposée sur lln support tournant à grande vitesse. Cette utilisation est inhabituelle car la combinaison du déplacement vertical d'une ligne de detection provoqué par le balayage vertical propre à la caméra, et du déplacement horizontal de cette ligne, provoqué par l'entraînement externe de la caméra sur un support tournant, fournit un signal vidéo correspondant à une image d'axe oblique. l'invention comporte des moyens pour traiter le signal vidéo de façon n obtenir un signal vidéo exploitable pour réaliser une couverture panoramique du champ surveillé. Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'imagerie panoramique de surveillance et d'identification intégrant une caméra à balayage qui délivre, à un système d'exploitation, un signal vidéo représentatif d'une image formée par projection d'une scène observée sur un détecteur à capteurs multiples par un système de balayage, caractérisé en ce qu'il consiste, en mode surveillance, à entraîner en rotation la caméra à balayage à une vitesse maximale compte tenu des contraintes de stabilité et de sécurité, provoquant la formation d'une image oblique selon un axe incliné, à balayer le détecteur selon une vitesse adaptée pour former des images quasi-jointives, et à recomposer le signal vidéo représentatif de l'image observée pour que l'image formée dans le système d'exploitation soit redressée. La caméra à balayage est, par exemple, une caméra infrarouge à balayage mono (vertical) ou bidirectionnel (horizontal-vertical) équipée d'un détecteur pourvu de capteurs élémentaires formant respectivement une barrette ou une mosaïque. Une mosaïque détectrice est par exemple balayée par un système de balayage bidirectionnel connu à tambour à facettes réfléchissantes et miroir de trame, effectuant un balayage horizontal rapide pour former une ligne de détection, combiné à un balayage vertical pour former une image de trame. Dans la plupart des applications actuelles (poursuite, guidage), le champ balayé en site (verticalement) a une grande importance. Afin d'améliorer la portée de l'o!,servation sans nuire à la largeur du balayage en site, il est avantageux de provoquer un ralentissement du balayage du détecteur de la caméra, la vitesse de rotation de la caméra sur son support étant ajustée pour que le traitement de recomposition du signal vidéo soit compatible avec ce ralentissement. L'invention permet de commuter aisément entre un fonctionnement en mode surveillance (balayage panoramique de l'es- pace environnant) et un fonctionnement on mode identification (balayage dans la direction d'un objet repéré en mode surveillance), par arrêt du support d'entraînement de la caméra dans une position adaptée correspondant à la direction repérée. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de l'exemple de réalisation qui suit, en référence, aux figures annexées qui représentent respectivement - la figure 1, un schéma d'un exemp]e de réalisation d'une caméra panoramique selon l'invention - les figures 2a à 2c, trois séries de parallélogrammes représentatifs d'images observées, les parallélogrammes étant respectivement à recouvrement partiel, disjoints, quasi-jointifs - la figure 3, une série de parallélogrammes représentatifs à recouvrement important - la figure 4, un exemple de circuit de traitement du signal vidéo. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ciaprès dans le cadre classique de la visualisation d'images au format 4/3, sur un moniteur au standard de 625 lignes, avec une fréquence de trames entrelacées de 25 Hz. L'adaptation à d'autres standards de visualisation (standard US : 525 lignes à 30 Hz en entrelacé ; standard 875 lignes avec balayage progressif ; etc.) est à la portée de l'Homme dti Métier. La figure 1 représente un schéma illustrant un exemple de réalisation de l'invention comportant une caméra thermique classique C, à balayage vertical, fixée selon l'invention sur un support tournant S, le support et la caméra étant entraînés en rotation par un moteur M, par exemple de type asynchrone. Un faisceau lumineux FL de scène pénètre dans la caméra par un objectif de tête 1 pour former sur un détecteur infrarouge 2 une image par focalisation du faisceau d'entrée à l'aide d'un système optique. La caméra utilisée dans l'exemple de réalisation illustré comporte un détecteur composé de manière connue de plusieurs rangées de capteurs Hg-Cd-Te (Mercure-Cadmi"m-Telliire). Afin de détecter toute l'image, le système optique comporte alors classiquement un système à double balayage du détecteur, composé schématiquement d'un miroir de trame 3, dont l'oscillation autour d'un axe AA' perpendiculaire au plan de la figure permet d'effectuer le balayage vertical de l'image, et d'un tambour à facettes réfléchissantes 4 dont la rotation autour d'un axe X'X réalise le balayage horizontal en ligne de l'image. Une optique de transport d'image 5 adaptée projette les portions d'image, successivement balayées, sur le détecteur 2 enfermé dans une enceinte cryostatique 6 refroidie, selon des techniques connues, par un doigt froid 7. Les capteurs élémentaires du détecteur 2 libèrent des charges proportionnellement au flux lumineux qu'ils reçoivent. Les charges sont ensuite classiquement intégrées, multiplexées, filtrées et amplifiées dans un circuit de lecture 8 afin de délivrer un signal vidéo SV représentatif de la scène observée par la caméra C. En sortie de la caméra C, le signal vidéo est transmis aux éléments de traitement et d'exploitation par l'intermédiaire d'un collecteur ou d'un joint tournant 11. Ce signal vidéo est appliqué selon l'invention à un circuit de traitement du signal 9, destiné à recomposer le signal pour le rendre exploitable, le circuit de traitement étant relié à un système d'exploitation 10 du signal. Ce système d'exploitation peut être un dispositif de détection, constitue par exemple par un boîtier d'extraction de cibles capable cie roiirnir une information de localisation de cible, couplé à un moniteur de visualisation. Un tel système d'exploitation est donc capable en mettant en oeuvre des moyens connus, de déterminer la direction d'observation de la cible repérée en mode surveillance et de commander l'arrêt de la caméra dans la direction de la cible localisée. La combinaison du déplacement en rotation de la caméra dans un plan horizontal et du balayage vertical effectué par le miroir de trame de la caméra fournit une image de scène observée déformée selon un axe oblique, chaqlle ligne de l'image étant décalée de la précédente du fait du déplacement provoqué par la rotation de la caméra pendant l'intervalle de temps de balayage ligne. Sur les figures 2a et 2b, deux séries de plusieurs images pouvant être obtenues au cours du temps sont représentées. Les images obliques selon un axe incliné (Y'Y siir la figure 2a), telles que I1, I2, I3, et I'1, I'2, I'3, se présentent respectivement sous la forme de parallélogrammes se recouvrant partiellement (I1, I2, 13) dans les zones représentées hachurées (figure 2a) ou ne se recouvrant pas (I'1, I'2, I'3 sur la figure 2b) selon la vitesse de rotation du support. Sur les figures 2a et 2b, les lignes pointillées correspondent au passage du balayage des bords de la dernière ligne d'une image, au balayage des bords de la première ligne de l'image suivante, ce passage résultant du retour du miroir de trame à sa position halite. Les balayages descendant des bords d'image et les retours qlli les suivent sont fléchés de la même façon, une fois pour les images I1 et I'1, deux fois pour I2 et I'2 et trois fois pour I3 et I'3. Ces images étant classiquement des trames entrelacées, elles ont été représentées légèrement décalées. Classiquement, la durée du balayage vertical d'une trame est de 16 ms et la durée de retour de miroir est de 4 ms pour former une perio(le de trame de 20 ms. Afin d'éviter toute perte d'information utile, il est nécessaire que les images se recouvrent partiejlcment, comme cela est représenté sur la figure 2a. Mais polir simplifier le traitement de recomposition du signal vidéo, les zones de recotivre- ment d'images doivent être aussi réduites qlle possible, ce qui se traduit par l'obtention de parallélogrammes représentatifs d'images quasi-jointifs, tels que les parallélogrames Pl, P2, P3 représentés sur la figure 2c. Par exemple pour une couverture en site de 15 degrés, correspondant à un champ horizontal de 20 degrés pour le format 4/3, la jonction des parallélogrammes contluit, ati standard de 50 Hz, à une vitesse de rotation du support de la caméra de l'ordre de 1 000 degrés par seconde. Les vitesses maximales de rotation d'entraînement raisonnablement applicables aux caméras du type décrit, restent limitées à des valeurs très inférieures à l'ordre de grandeur indiqué ci-dessus, approximativement 10 fois plus faible. A ces vitesses, les parallélogrammes représentatifs se recouvrent de façon importante comme illustrés par la superposition des images I"1, I"2, I"3 représentées sur la figure 3. De plus, à ces vitesses, la portée de détection est notablement inférieure à la portée en identification par visualisation classique. Afin d'obtenir des parallélogrammes quasi-jointifs, la solution de l'invention est d'adapter la vitesse de balayage du détecteur à la vitesse d'entraînement maximale de la caméra compte-tenu des contraintes mécaniques de stabilité et des tolérances de sécurité, afin de se rapprocher des conditions idéales. Cette adaptation consiste en un ralentissement de la vitesse de balayage du détecteur, de l'ordre d'un facteur 10 pour l'exemple numérique utilisé. Un ralentissement de balayage peut être réalisé par l'Homme du Métier en agissant au niveau des modules électroniques de commande de balayage selon les méthodes connues. Un tel ralentissement provoque une augmentation de la durée d'intégration des charges dans le circuit de lecture. Cette augmentation mesurée de la durée d'intégration permet d'augmenter le contraste d'image, donc la portée, sans faire apparaître de flou d'image. Ainsi pour une ligne balayée classiquement en 64 ,us, le ralentissement du balayage d'un facteur 10 se traduit par une durée d'intégration de 0,64 ms, valeur trop faible pour que les phénomènes de vibration produisent un effet de flou. Toujours pour simplifier le traitement du signal vidéo décrit ci-après, il est préférable d'ajuster la vitesse de rotation de la caméra de sorte que le décalage horizontal d'une ligne à la suivante soit égal à la distance entre deux points d'image de visualisation pour une même rangée, ou égal à un multiple entier de cette distance. Un tel ajustement permet d'éviter un traitement supplémentaire de pondération du signal par des coefficients adaptés. Il est ainsi opportun d'utiliser quelques valeurs discrètes de vitesse de rotation adaptées pour un champ de couverture horizontal donné. Par exemple, avec la caméra SMT (Système Modulaire Thermique) développée par la Société TRT et équipée d'un détecteur ayant 11 rangées de 4 capteurs chacune, couvrant un champ horizontal de 24 degrés découpé en 780 points d'image, un déplacement angulaire d'un point d'image (respectivement n points d'image) entre deux lignes d'image séparées de 704 ,us impose une vitesse de rotation de 43,7 degrés par seconde (respectivement nx 43,7 degrés par seconde). Le signal vidéo correspondant aux images obliques du fait de la rotation de la caméra est selon l'invention recomposé afin de pouvoir former des images redressées dans le système d'exploitation. Le traitement de signal vidéo effectué dans le circuit référencé 9 sur la figure 1 consiste à recomposer un signal représentatif d'images classiquement analysées par un caméra thermique, c est-à-dfre de forme rectangulaire, à partir d'images de forme parallélépipédique obtenues dans les conditions d'utilisation précédemment décrites. Un exemple de traitement électronique du signal vidéo est maintenant décrit en référence à la figure 4. Le signal vidéo SV issu du circuit de lecture 8 est échantillonné dans un conver- tisseur Analogique-Numérique CAN 12 et les valeurs numériques de luminance obtenues sont mémorisées dans une mémoire d'image 13. Chaque valeur de luminance correspond à un niveau de flux reçu par un capteur donné situé en une position connue, cette position étant adressée dans la mémoire d'image 13 par un générateur d'adresses 14 commandé par un séquenceur 15. Une mémoire tampon 16 prélève et restitue certaines de ces valeurs numériques en liaison avec Ja mémoire 13 ; le rythme de ces échanges est réglé par le séquenceur 15 en synchronisme avec le balayage commandé par le module 17, le séquenceur 15 fournissant des signaux d'horloge et des signaux de commande à l'ensemble des éléments du circuit 9. La mémoire d'image 13 intègre un registre à décalage qui fournit en sortie un signal SV' numérique, ou éventuellement analogique après conversion dans un convertisseur CNA 18, suivant le type du système d'exploitation à mettre en oeuvre. Les valeurs de luminance prélevées et restituées par la mémoire tampon dans la mémoire d'image permettent de reconstituer un ensemble de valeurs de luminance correspondant à une image redressée rectangulaire. Par exemple, en se reportant à ]a figure 2c, les valeurs numériques de luminance correspondant à une image redressée I sont obtenues de la manière suivante pour une ligne Lh du haut d'image, les valeurs de luminance sont prélevées dans des mémoires de trame correspondant aux parallélogrammes P2 et P3 ; pour une ligne Lb du bas d'image, les valeurs de luminance sont prélevées dans des mémoires de trame correspondant aux parallélogrammes P1 et P2. Ainsi la mémoire tampon comporte, dans cet exemple de réalisation, trois mémoires de trame et offre l'avantage de permettre un calage aléatoire de l'image I. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Il peut être intéressant par exemple de combiner le traitement de recomposition de signal décrit précédem ment aux traitements connus d'augmelltation tl3 contraste ou de résolution d'image, obtenus par sommation de niveaux de luminance dans le circuit de lecture ou dans des circuits extérieurs. D'autre part, il est également possible d'utiliser et d'adapter d'autres types de mémoire pour recomposer le signal vidéo, par exemple un mémoire à tambour. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'imagerie panoramique de surveillance et d'identification intégrant une caméra à balayage (C) qui délivre à un système d'exploitation (10), un signal vidéo (SV) représentatif d'une image formée par projection d'une scène sur un détecteur (2) à capteurs multiples par un système de balayage (3,4), caractérisé en ce qu'il consiste, en mode de surveillance, à entraîner en rotation la caméra à balayage (C) à une vitesse maximale compte-tenu des contraintes de stabilité et de sécurité, provoquant la formation d'une image oblique selon un axe incliné (Y'Y), à balayer le détecteur selon une vitesse adaptée pour former des images quasi-jointives, et à recomposer le signal vidéo représentatif pour que l'image formée dans le système d'exploitation soit redressée. 2 - Système d'imagerie panoramique de surveillance et d'identification pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une caméra infrarouge à balayage (c) fixée sur un support (S) entraîné en rotation par un moteur (M) et en ce que le signal vidéo (SV) issu d'un circuit de lecture (8) du détecteur (2) est appliqué à un circuit de traitement (9) à mémoires (13, 16) pour recomposer à partir du signal vidéo (SV), un signal vidéo (SV') représentatif d'une image redressée qui est ensuite appliqlle ati système d'exploitation (10) 3 - Système d'imagerie selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de traitement (9) comporte un convertisseur Analogique-Numérique (12) auquel est appliqué le signal vidéo issu du circuit de lecture (8), une mémoire d'image (13) pour mémoriser des valeurs de luminance foiirnies par le convertisseur (12), un générateur d'adresses (14) pour donner une information de position à chaque valeur de luminance mémorisée, une mémoire tampon (16) pour échanger certaines des valeurs de luminance mémorisées dans la mémoire (13) de façon à fournir à un registre à décalage intégré dans la mémoire d'image (13) des valeurs de luminance correspondant à un signal de sortie (SV') représentatif d'une image redressée, à appliquer au système d'exploitation (10). 4 - Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mémoire tampon (16) comporte trois mémoires de trame. 5 - Système d'imagerie selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse de balayage du détecteur (2) est réglée par un module de balayage (17) pour obtenir des images quasi-jointives et en ce que la vitesse d'entraînement de la caméra (C) est ajustée pour qu'il se produise un décalage d'un nombre entier de points d'image entre deux lignes de balayage. 6 - Système d'imagerie selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le circuit de traitement de la composition du signal (9) est combiné à des circuits de sommation de valeurs de luminance destinés à améliorer 1 image. 7 - Système d'imagerie selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le système d'exploitation (10) comporte un boîtier d'exploitation de cibles pour localiser une cible repérée en mode surveillance et pour commander l'arrêt de la caméra dans la direction de la cible ainsi localisée.