Brevet FR2711813A1 — publié le 19950505

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FOCALISATION AUTOMATIOUE D'UN OBJECTIF La présente invention a pour objet un procédé et dispositif de focalisation automatique d'un objectif. De tels dispositifs mettent en oeuvre une optique à focale variable commandée par un signal de commande conforme à une image d'une scène observée ainsi que des moyens pour fournir un signal numérique représentatif de l'image formée qui a une définition dépendant de la focale de l'optique. On connaît de l'art antérieur un procédé et un dispositif de mise au point automatique d'un objectif de caméra vidéo dans laquelle la distance entre un objet de la scène observée et l'écran image de la caméra est mesurée grâce à un système de visée télémétrique par infrarouge, ultrasons ou autre, et par lequel on asservit le signal de commande à partir du résultat de cette mesure pour faire varier la focale de l'optique de la caméra afin d'obtenir une image nette de l'objet, c'est-à-dire pour amener l'image de l'objet observé au niveau du plan de l'écran de la caméra. D'autres dispositifs ont été développés et permettent d'éviter la présence d'une visée télémétrique. On connaît ainsi l'antériorité US 4 814 889 (GENERAL ELECTRIC) un dispositif d'autofocalisation d'une caméra qui met en oeuvre pour augmenter le contraste une convolution de Laplace pour obtenir la dérivée des signaux de pixels, puis un seuillage de manière à négliger les faibles valeurs. On somme ensuite les niveaux de gris dont le contraste a été augmenté. Ce procédé ne semble convenir qu'à certains types d'images présentant un contraste élevé (bandes alternées par exemple). La demande de brevet européen 290 802 (POLAROID) concerne un dispositif de focalisation dans laquelle les carrés des différences entre les intensités les pixels adjacents sont sommés. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de focalisation automatique d'un objectif, opérant dans l'espace des points images ou pixels et qui puisse être mis en oeuvre de manière relativement simple, c'est-à-dire un procédé performant ne demandant qu'un nombre de calculs relativement limité. Dans ce but, I'invention concerne un dispositif de focalisation automatique d'un objectif, comprenant un capteur d'images vidéo, ladite image vidéo présentant une résolution nominale donnée, un dispositif d'analyse d'un signal d'image et un dispositif de commande de la mise au point de l'objectif en fonction d'un signal de sortie du dispositif d'analyse d'image, caractérisé en ce que le dispositif d'analyse comporte un dispositif de décomposition du signal d'au moins une partie de leur image en au moins un signal d'analyse à une première résolution inférieure à celle de l'image vidéo et un signal de détails représentant les détails perdus lors du passage à la première résolution à partir d'une deuxième résolution supérieure à la première résolution, un dispositif de détermination de l'énergie lumineuse de signal de détails dont la sortie fournit ledit signal de sortie, et en ce que le dispositif de commande de la mise au point de l'objectif comporte un moyen pour commander la focale de l'objectif de telle sorte que ledit signal de sortie ait une valeur maximale. Ladite deuxième résolution peut être immédiatement supérieure à la première résolution. Selon un mode de réalisation convenant au cas d'images peu bruitées ou présentant une bonne netteté, la deuxième résolution est ladite résolution nominale donnée de l'image vidéo. Selon un autre mode de réalisation convenant au cas d'images bruitées ou présentant une netteté dégradée, ledit dispositif de décomposition comporte un moyen d'itération permettant d'itérer au moins une fois ladite décomposition sur le signal d'analyse. Dans ce cas, la deuxième résolution est inférieure à ladite résolution nominale. Ledit dispositif de décomposition peut comporter au moins un banc de filtres miroirs en quadrature. Le dispositif de décomposition peut comporter une pluralité de bancs de filtres, et en particulier des filtres miroirs en quadrature, disposés pour réaliser une décomposition en ondelettes bi-dimensionnelle. L'invention concerne également un procédé de focalisation automatique d'un objectif caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suviantes a) décomposer un signal d'image vidéo présentant une résolution nominale donnée en au moins un signal d'analyse à une première résolution inférieure à celle de l'image vidéo et un signal de détails représentant les détails perdus lors du passage à la première résolution à partir d'une deuxième résolution supérieure à la première résolution, b) déterminer l'énergie lumineuse du signal de détails, c) commander la focale de l'objectif de manière que ladite énergie lumineuse soit maximale. La deuxième résolution peut être immédiatement supérieure à la première résolution. Pour des images présentant peu de bruit ou une bonne netteté, la deuxième résolution peut être ladite résolution nominale donnée. Pour des images présentant du bruit ou une netteté dégradée, L'étape a) présente au moins une itération de ladite décomposition sur le signal d'analyse. L'étape a) peut mettre en oeuvre au moins un banc de filtres miroirs en quadrature. L"étape a) peut mettre en oeuvre une pluralité de bancs de filtres disposés pour réaliser une décomposition en ondelettes bi-dimensionnelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent - la figure 1, I'architecture d'un dispositif de focalisation selon l'invention, - les figures 2a et 2b, respectivement, une décomposition monodimensionnelle et une décomposition bi-dimensionnelle avec ou sans itération, - les figures 3a et 3b, respectivement, la représentation graphique de l'image 5o à sa résolution nominale, S 1 à la résolution 2-1, et un exemple de décomposition d'image correspondante. - la figure 4, une courbe de variation d'énergie Ej des coefficients d'ondelette en fonction de la focale de caméra, à la résolution 2-j Comme représenté à la figure 1, un dispositif selon l'invention comporte une caméra vidéo CMV présentant un capteur vidéo CV dont l'objectif présente un moteur M permettant de faire varier la focale de celui-ci, et un module électronique de commande désigné par le repère général 1. Le module I présente tout d'abord un circuit d'acquisition vidéo CAV dans lequel s'effectue une numérisation pixel par pixel des signaux vidéo issus de la caméra CMV. Un micro contrôleur MC permet de gérer la mise en mémoire dans une mémoire MEM des signaux numérisés. Un circuit de sortie vidéo CSV lit dans la mémoire les signaux d'images numérisés et les convertit de manière à fournir les signaux désirés à un écran de visualisation E. Les signaux numérisés mémorisés dans la mémoire MEM sont introduits dans un module d'analyse MANC qui travaille en liaison avec un module MDS réalisant une décomposition d'une manière qui sera décrite plus loin. A partir de la décomposition réalisée par le module MDS, effectuée par exemple sur les signaux représentatifs du niveau de gris des pixels, le module MANC génère un signal S significatif de l'état de mise au point de la caméra vidéo CMV, signal qui est introduit à l'entrée d'un circuit de commande du moteur de focalisation CCMP. Le signal de sortie SC du circuit CCMP alimente alors le moteur M de manière à assurer la condition de focale désirée. Le système de focalisation selon l'invention est basé sur une analyse concrète du signal image. Il agit sur la commande de la motorisation M de l'optique de la caméra vidéo CMV pour ramener celle-ci à une focale optimale. L'idée de base de l'invention est la décomposition du signal d'image vidéo présentant une résolution nominale donnée en au moins un signal d'analyse à une résolution inférieure à celle de l'image vidéo et un signal de détails représentant les détails perdus lors du passage à la résolution correspondant au signal d'analyse. Pour réaliser un traitement en deux dimensions, on peut utiliser de manière connue des méthodes utilisant des bancs de filtres 2D non séparables ou des bancs de filtres en quinconce. L'exemple ci-dessous met en oeuvre des bancs de filtres miroirs en quadrature FMQ séparables. La décomposition est relativement simple puisqu'on opère séparément sur les lignes et sur les colonnes avec des filtres monodimensionnels. Cette technique est décrite plus particulièrement dans l'article de Stéphane G. MALLAT paru dans la revue IEEE TRANSACTION ON PATTERN ANALSIS AND MACHINE INTELLIGENCE volume 11, n"7 Juil. 1989 et intitulé "A theory for Multiresolution Signal Decomposition : The Wavelet Representation" On remarquera qu'il est également possible de réaliser une décomposition à partir de filtres en quadrature de type CQF, qui permettent une reconstruction exacte du signal après la décomposition. De tels filtres sont décrits dans l'article de A. Cohen, I. Daubechies et J.C Feauveau, "Biorthogonal bases of compactly supported wavelets", Communication on Pure and Applied Mathematics, Vol, XLV, 485-560 1992. Le dispositif décrit ci-dessous est un système d'autofocalisation de l'optique de la caméra basé sur le calcul d'énergie des coefficients d'ondelettes avec des filtres miroirs en quadrature FMQ. L'image traitée est de nature numérique. La focale peut être déduite sur une partie ou la totalité de l'image. Cette analyse basée sur un principe de multirésolution permet aussi de focaliser la caméra dans des conditions très variées de prise d'images. Avant de détailler le principe de cette technique, on commence par un rappel succinct des techniques de l'analyse multirésolution, son rapport avec les ondelettes, puis leur mise en oeuvre grâce aux bancs de filtres FMQ. Analyse multirésolution et ondelettes A! Analyse multirésolution ANtR Une analyse multirésolution AhlR d'un signal donné consiste en une approximation de ce même signal en d'autres résolutions (comme exemple, une vue aérienne, quand on s'élève on perd les détails mais on a une vue plus globale). Pour cela, on définit une famille de fonctions Un cas particulier de cette famille est la famille discrète, pour laquelle a = 2-j et b = n.2-j et les #a,b deviennent une base orthonormale de L2(R), L désignant l'ensemble des fonctions mesurables et R l'ensemble des nombres réels et s'écrivent : #j,n(t) = 2j/2 #(2jt-n) Pour avoir une approximation Sj,n à la résolution 2-j d'un signal f, on projette ce dernier sur cette famille (Pj,n de fonctions. On a alors Sj,n= désignant l'opération de projection, ici la projection de f, une fonction continue, sur (Pj,n B) Les ondelettes Les détails fins sont perdus lors du pasage d'une résolution donnée à une résolution plus grossière. Ces détails peuvent être récupérés par une projection sur une famille d'ondelettes. La perte d'information Dj,n lors du passage d'une résolution 2-j+l à la résolution 2i plus faible est donnée par la relation suivante (A) Djn = avec #j,n (t) = 2j/2 #(2jt-n) Les fonctions #j,n sont appelées ondelettes et sont générées à partir d'une fonction v appelée "ondelette mère" dilatée d'un facteur d'échelle a = 2-j et translatée d'un temps b = n 2-j Les deux fonctions # et # sont liées par une relation du type: '\I(t) = an (p (2t + n) III Implémentation Les signaux utilisés dans le cadre de l'invention sont des signaux échantillonnés. Si on appelle So,n les échantillons du signal d'origine (de plus grande résolution), on peut montrer que la représentation en ondelette (ou multirésolution) peut être réalisée avec des transformations pyramidales utilisant des bancs de filtres FMQ (ou CQF). Pour cela, on montre pour se limiter au cas des filtres FMQ qu'il existe deux filtres hn et gn qui sont liés aux fonctions (p et v et qui vérifient alors les relations suivantes : (H et G désignant respectivement la transformée de Fourrier de hn et gn et Q, celle de la fonction y): H(e 2 + Wo'+2=1 G (su) = e-jo H(co) La formule précédente fournit les filtres nécessaires pour une implémentation numérique. On montre alors que l'algorithme de décomposition en multirésolution lD (fig.2a) est donnée par la formule suivante: IV. Représentation en ondelettes à deux dimensions 2D. Pour adapter les ondelettes aux images qui sont considérées comme des signaux 2D, il faut étendre l'étude des ondelettes aux cas des signaux 2D. Plusieurs extensions en 2D de la transformation en ondelette ID existent. On a utilisé ici une transformation en ondelette à base d'ondelettes séparables. Dans ce cas, une décomposition d'un signal 2D en ondelettes revient tout simplement à une transformation en ondelette 1 D (voir III). Cette transformation en ondelette 2D peut être calculée efficacement avec une transformation pyramidale (Fig.2b) utilisant des bancs de filtres FMQ comme vue précédemment (voir fig. 12 de l'article de S. MALLAT précité). Si on appelle So(n,m) le signal d'origine (plus grande résolution désignée par l par convention), à la première décomposition (Fig.2b) on aura alors S-l(n,m) comme approximation de So(n,m) à la résolution 2-l et trois signaux de détails D1 " D2 D3" (détails perdus entre les deux résolutions). Pour obtenir le signal à la résolution 2-2, on itère le processus à partir du signal S-1(n,m). D'une manière générale, un signal Sj+l(n,m) à la résolution 2-j+l sera décomposé en une approximation Sj(n m) à la résolution 21 et trois signaux de détails D-j, D-j, D-j (détails perdus entre les deux résolutions représentés par les coefficients d'ondelettes). Aux figures 3a et 3b, à une image noire rectangulaire de résolution nominale représentée par les signaux So, correspond à la résolution 2~1(signaux S l) des détails, présentant deux barres verticales représentant les transistion de l'image dans une direction horizontale, des détails D3 présentant deux barres horizontales représentant les transitions de l'image dans une direction verticale, et des détails D-2 présentant quatre points représentant les transitions de l'image selon les diagonales. V. Principe Le principe d'autofocalisation étudié dans cette technique met en oeuvre la mesure d'énergie des coefficients d'ondelettes à une résolution donnée. Ainsi à la première décomposition (résolution 2-1) l'énergie des détails sera: D'une manière générale, à la résolution 24 on aura Avec N1= N/21 dimension des signaux à la résolution correspondante, et N celle de l'image à l'origine. L'allule des courbes E-j en fonction de la focale F est représentée à la figure 4. Avoir une meilleure focalisation c'est trouver la focale FM qui donne un maximum d'énergie E-j des détails pour une résolution 2-j donnée. VI. Intérêt de l'itération. Les conditions de prise d'images sont très variées surtout en milieu industriel. Pour des scènes d'image prises dans de bonnes conditions (bon contraste) une seule décomposition (résolution 2-1) est largement suffisante pour assurer une bonne focalisation. On peut avoir recours par contre à des résolutions inférieures (2-j) dans le cas d'images prises dans de mauvaises conditions ou le signal utile est plongé dans le bruit ou bien présente une netteté dégradée (prise de vue en milieu perturbé thermiquement ou bien dans le brouillard). Pour des images usuelles, l'énergie des coefficients des petites résolutions est supérieur à celle des grandes résolutiosn. Pour une résolution choisie, dans ce cas là aussi, la meilleure focale est celle qui donne le maximum de l'énergie des détails à cette résolution. Le procédé de focalisation automatique peut être mis en oeuvre sur une partie ou sur la totalité de l'image. La caméra produit un signal représentant l'image d'une scène pour un état de focale donné. On calcule la valeur de la courbe de variation de l'énergie E-j des coefficients des détails à une résolution donnée pour cette focale donnée, et on la compare à celle calculée à l'état de la focale précédent. En fonction du résultat de cette comparaison, on agit directement sur le circuit de commande CCMP de motorisation M de l'optique de la caméra vidéo CMV pour la placer dans un état de convergence vers la focale recherchée. On réitère le processus jusqu'à atteindre le maximum de la courbe de variation de l'énergie E-j des coefficients des détails à une résolution donnée en fonction des focales. D'autres types de filtres que ceux donnés ci-dessus à titre d'exemple peuvent être mis en oeuvre, par exemple ceux décrits dans l'article de Adelson et ses collaborateurs publié dans SPIE volume 845 VISUAL COMMUNICATIONS AND IMAGE PROCESSING II (1987) et intitulé "Orthogonal pyramid transforms for image coding" REVENDICATIONS Dispositif de focalisation automatique d'un objectif, comprenant un capteur d'image vidéo (CMV), ladite image vidéo présentant une résolution nominale donnée, un dispositif d'analyse d'un signal d'image et un dispositif de commande (CCMP) de la mise au point de l'objectif en fonction d'un signal de sortie (S) du dispositif d'analyse d'image, caractérisé en ce que le dispositif d'analyse comporte un dispositif (MDS) de décomposition du signal d'au moins une partie de leur image en au moins un signal d'analyse à une première résolution inférieure à celle de l'image vidéo et un signal de détails représentant les détails perdus lors du passage à la première résolution à partir d'une deuxième résolution supérieure à la première résolution, un dispositif (MANC) de détermination de l'énergie lumineuse de signal de détails dont la sortie fournit ledit signal de sortie, et en ce que le dispositif de commande de la mise au point de l'objectif comporte un moyen (CCMP, M) pour commander la focale de l'objectif de telle sorte que ledit signal de sortie ait une valeur maximale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite deuxième résolution est immédiatement supérieure à la première résolution. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième résolution est ladite résolution nominale donnée de l'image vidéo. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif (MPSB) de décomposition comporte un moyen d'itération permettant d'itérer au moins une fois ladite décomposition selon le signal d'analyse. 5. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif de décomposition (MDSB) comporte au moins un banc de filtres miroirs en quadrature (FNIQ). 6. Dispositif selon une des revenditions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de décomposition comporte une pluralité de bancs de filtres disposés pour réaliser une décomposition en ondelettes bi-dimensionnelle. 7. Procédé de focalisation automatique d'un objectif caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes a) décomposer un signal d'au moins une partie d'une image vidéo présentant une résolution nominale donnée en au moins un signal d'analyse à une première résolution infërieure à celle de l'image vidéo et un signal de détails représentant les détails perdus lors du passage à la première résolution à partir d'une deuxième résolution supérieure à la première résolution, b) déterminer l'énergie lumineuse du signal de détails, c) commander la focale de l'objectif de manière que ladite énergie lumineuse soit maximale. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite deuxième résolution est immédiatement supérieure à la première résolution. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la deuxième résolution est ladite résolution nominale donnée de l'image vidéo. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape a) présente au moins une itération de ladite décomposition sur ledit signal d'analyse. 11. Procédé selon une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'étape a) met en oeuvre au moins un banc de filtres miroirs en quadrature. 12. Procédé selon une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'étape a) met en oeuvre une pluralité de bancs de filtres disposés pour réaliser une décomposition en ondelettes bi-dimensionnelle.