Brevet FR2737375A1 — publié le 19970131

La présente invention est relative à un procédé d'acquisition d'une image par balayage "Pousse-balai" (Push-broom selon la terminologie anglo-saxonne) à partir d'une barrette ou d'une matrice de capteurs de type à transfert de charge (CCD) défilant au droit de la zone observée. L'invention trouve en particulier avantageusement application pour l'observation satellitaire de la terre. Le principe d'un balayage de type "pousse-balai" a été illustré sur la figure 1 dans le cas d'une barrette 1 de détecteurs. La barrette 1 réalise l'observation successive, au cours du défilement du satellite qui la porte, de lignes L1, L2,..., Ln perpendiculaires au déplacement (flêche D). Une optique 2 d'instrumentation forme à chaque instant l'image d'une ligne de paysage sur la ligne des détecteurs, la barrette 1 étant placée dans le plan focal de l'optique 2, perpendiculairement au vecteur vitesse du satellite. Le paysage défile devant chaque détecteur qui intègre le flux lumineux pendant le temps de pose et le transforme en une charge électrique proportionnelle. On a illustré sur la figure 2 une chaine de traitement classique des images ainsi relevées. Cette chaine de traitement comporte de façon schématique une unité 3 de traitement et d'amplification en sortie des détecteurs de la barrette 1, un codeur 4 analogique-numérique recevant le signal en sortie de l'unité 3, des moyens 5 pour la transmission au sol à partir du satellite des images numériques ainsi relevées, une unité 6 pour la reconstitution au sol des images. L'unité 3 comporte en particulier un registre à décalage dans lequel les informations intégrées et stockées dans chaque détecteur de la barrette 1 sous forme de charge sont transférés à l'issue d'un temps de pose. Ce registre assure ensuite un transfert électronique des charges, qui sont converties en une succession de tensions proportionnelles aux flux lumineux reçus et intégrés. L'unité 6 au sol reconstruit les images en mettant notamment en oeuvre des traitements de déconvolution destinés à compenser les défauts instrumentaux, ainsi que le cas échéant des traitements d'interpolation pour reconstituer certains pixels de l'image. Usuellement, le temps d'acquisition entre deux lignes successives, ou temps d'échantillonnage, est tel que la fréquence d'échantillonnage dans le sens d'avancement du satellite est égale à la fréquence de coupure des détecteurs, celle-ci étant pratiquement égale à l'inverse de la taille des détecteurs. Toutefois, cette approche ne tient pas compte de la Fonction de Transfert de Modulation (FTM) instrumentale. On rappelle que la Fonction de Transfert de Modulation d'un système optique est une fonction de l'espace fréquentiel qui traduit l'aptitude du système à transmettre les diverses fréquences. Elle est caractéristique de la restitution des contrastes du paysage par le système. Dans le cas d'une acquisition de type poussebalai, la Fonction de Transfert de Modulation dépend principalement de l'optique du système, de l'effet de filé (affaissement de contraste dû au déplacement), ainsi que des détecteurs. Les systèmes d'observation sont caractérisés par la fréquence de coupure fc, au delà de laquelle la FTM est négligeable. Dans le cas d'une acquisition classique où la fréquence d'échantillonnage fe est égale à la fréquence de coupure fc, la condition de Shannon (fe > 2.fc) n'est donc pas respectée et il en résulte un fort repliement de spectre introduisant des artéfacts et rendant difficile toute tentative de déconvolution et d'interpolation. Un but de l'invention est de proposer un procédé de traitement qui permet - de limiter le repliement du spectre, afin d'autoriser au sol une restauration et/ou interpolation convenable de l'image - de minimiser la redondance de l'information transmise au sol de façon à pouvoir utiliser au mieux les capacités de transmission de données des instruments. I1 a déjà été proposé dans la demande de brevet FR 2 678 460 un procédé de traitement permettant d'enregistrer et de retransmettre des images avec un pas d'échantillonnage en ligne et en colonne deux fois plus petit que pour un instrument de balayage classique, et ce avec un télescope et des détecteurs élémentaires identiques. Selon ce procédé, qui a été illustré sur la figure 3, on réalise un suréchantillonnage en - divisant le temps d'intégration et le temps d'échantillonnage par deux, le long des colonnes, le temps d'échantilonnage Te correspondant à 1/(2fc), c'est à dire à la moitié de l'inverse de la fréquence de coupure - superposant, pour les lignes, les relevés de deux barrettes B1, B2 décalées lune par rapport à l'autre d'un demi pixel dans le sens de leur longueur (p/2 sur la figure, où p correspond généralement à 1/fic), les détecteurs élémentaires ayant alors une longueur qui est deux fois plus grande que le pas d'échantillonnage). La superposition des deux barrettes peut etre obtenue par l'intermédiaire d'un diviseur optique de ligne ou en utilisant le défilement du satellite par décalage dans le champ de la deuxième barrette d'un nombre entier de pas d'échantillonnage dans le sens d'avancement et d'un demi pas dans le sens de la barrette. Le décalage des deux grilles d'échantillonnage peut être différent du demi pixel, moyennant sa prise en compte dans le post traitement. On a illustré sur la figure 4 une matrice de pixels obtenus avec un tel traitement. Les pixels XB1 sont ceux acquis avec la barrette B1, les pixels XB2 ceux acquis avec la barrette B2. Pour chaque image, on dispose pour chaque ligne au sol correspondant au pas d'échantillonnage classique de l/fc de deux lignes de pixels XB1 alternant avec des pixels XB2, chaque couple XB1, XB2 correspondant à la longueur p de détecteur élémentaire. Comme on l'aura compris, avec cette technique, on dispose de quatre fois plus d'informations qu'avec un procédé classique et la condition de Shannon est vérifiée. De plus, la Fonction de Transfert de Modulation est pratiquement nulle au-delà de la demi-fréquence d'échantillonnage, de sorte que la déconvolution n'amplifie plus d'artéfacts associés au repliement de spectre. On a illustré sur la figure 5 la représentation dans le plan de Fourier dune Fonction de Transfert de Modulation (FTM) réaliste pour un instrument d'observation de type "PUSH-BROOM", utilisé selon le procédé d'acquisition décrit dans FR 2 678 460. Cette FTM s'exprime comme le produit d'une fonction de transfert ftml des fréquences lignes normalisées fx et d'une fonction de transfert ftmc des fréquences colonnes fy, ces deux fonctions étant données par les formules suivantes dans le cas de l'instrument SPOT 5 e(-3.431 fx) sin (2nfx) ftml = 2nfx e(-3.03fy) sin (2nfy) sin(nfy) ftmc = ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 2Tt2fy2 Sur cette représentation, la FTM est normalisée à 1 à l'origine et les fréquences fx et fy sont normalisées par rapport au double de la fréquence d'échantillonnage classique et les différentes courbes représentent des courbes de niveaux par pas de 0,01 jusqu'à la valeur 0,1. On voit sur cette représentation que les Fonctions de Transfert de Modulation sont faibles sur une grande partie du spectre d'origine fréquentiel. Les fonctions ftml et ftmc s'annulent pour fx = fy = 0.5, et la condition de Shannon est donc satisfaite. En fait, toute l'information significative est essentiellement contenue dans le triangle supérieur Is, dont les extrémités correspondent à l'origine du plan de Fourier et aux points (0 ; 0,5) et (0,5 ; 0). Cette zone est en effet tangentée par la courbe FTM de niveau 0,03, valeur en dessous de laquelle on considère que le signal est noyé dans le bruit. Au delà de cette courbe, c'est à dire en dehors de la zone Is précitée, le signal est inexploitable. Par conséquent, l'échantillonnage proposé dans la technique décrite dans la demande FR 2 678 460 n'est pas optimal. Il transmet inutilement une grande partie du plan fréquentiel. Un but de l'invention est donc de proposer un procédé d'acquisition qui pallie cet inconvénient : il permet de conserver un repliement spectral négligeable tout en optimisant le débit d'acquisition. Plus particulièrement, le procédé proposé par l'invention est un procédé d'acquisition d'une image au moyen d'au moins une barrette ou une matrice de capteurs de type à transfert de charge défilant au droit de la zone observée, caractérisé en ce que l'échantillonnage en ligne et en colonne que réalisent ces capteurs est tel que le spectre de l'image est principalement situé dans une zone du plan de Fourier où la Fonction de Transfert de Modulation est significative et où le repliement du spectre est limité. L'échantillonnage sélectionne la zone du plan de Fourier dans laquelle la FTM est significative et le repliement de spectre limité. Lorsque la Fonction de Transfert de Modulation est à symétrie rectangulaire, l'échantillonnage consiste avantageusement en une acquisition en quinconce d'un pixel sur deux en ligne et en colonne. Lorsque la Fonction de Transfert de Modulation est à symétrie radiale, l'échantillonnage consiste avantageusement en une acquisition hexagonale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels seul le quart du spectre est représenté, le complément s'en déduisant par des considérations de symétrie - la figure 1 illustre le principe d'une acquisition par balayage pousse-balai - la figure 2 illustre une chaîne de traitement d'images relevées par balayage pousse-balai - la figure 3 illustre l'acquisition selon le procédé décrit dans FR 2 678 460 - la figure 4 représente une matrice de pixels obtenue en mettant en oeuvre l'acquisition de la figure 3 - la figure 5 est une représentation dans le plan de Fourier des courbes de niveau de la Fonction de Transfert de Modulation à symétrie rectangulaire - la figure 6 illustre un mode de mise en oeuvre possible pour l'invention - la figure 7 illustre une matrice de pixels acquise en mettant en oeuvre le procédé de la figure 6 - la figure 8 est une représentation dans le plan de Fourier du spectre d'une image acquise en mettant en oeuvre le procédé de la figure 6 - les figures 9a, 9b, 9c illustrent les repliements de spectre pour chacune de ces acquisitions - la figure 10 illustre un autre mode de traitement possible pour l'invention. On a illustré sur la figure 6 le traitement d'acquisition que réalisent deux barrettes linéaires Bîl et B12 conformément à un mode de mise en oeuvre possible pour l'invention. Les barrettes B11 et B12 présentent une disposition semblable à celle des barrettes B1 et B2 : les relevés en colonne de ces deux barrettes Bîl et B12 sont décalés d'une fraction de pixel, par exemple d'un demipixel. Par contre le temps d'échantillonnage de chacune des barrettes Bill, B12 est choisi égal à 1/fc. La matrice de pixels alors obtenue est celle illustrée sur la figure 7, sur laquelle les pixels acquis sur la barrette Bîl sont référencés XB11, ceux acquis par la barrette XB12 étant référencés par XB12. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 7, on dispose de deux images au pas d'acquisition classique 1/fic, mais décalées l'une par rapport à l'autre de 1/2fc en ligne et en colonne : il s'agit de l'échantillonnage en quinconce. Par conséquent, par rapport à l'acquisition décrite en référence aux figures 3 et 4, on a enregistré un pixel sur deux en ligne et en colonne. Sur la matrice de la figure 7, les pixels de la matrice de la figure 4 qui non pas été acquis ont été remplacés par des 0. Ces pixels 0 sont restitués au sol par une interpolation à partir des pixels XB11 et XB12 de leur voisinage. Le traitement d'interpolation permettant de reconstituer ces pixels manquant est par exemple une interpolation de Fourier, classiquement connue de l'Homme du Métier et qui ne sera pas ici décrite plus en détails. D'autres traitements d'interpolation sont bien entendu possibles. A titre d'exemple, on pourra également utiliser un traitement d'interpolation du type de celui décrit dans la publication "Analyse miltirésolution pour les images avec un facteur de résolution V2tt - J.C. FEAUVEAU - Traitement du signal Volume 7 - n02 - 1990. L'acquisition réalisée est par conséquent équivalente à un échantillonnage quinconce, également appelée hexagonal centré, c'est à dire à un échantillonnage régulier avec un pas p.ç2 de la même image tournée de 45 . Ainsi qu'on l'a illustré sur la figure 8, le spectre d'un tel échantillonnage correspond à celui de la figure 5 également tourné de 45 . La zone du plan de Fourier occupée par le spectre de l'image est donc le triangle tangent à la courbe FTM,O3. On se réfère maintenant aux figures 9a à 9c. Les zones grisées représentées sur ces figures sont les zones du plan de Fourier où le repliement de spectre est supérieur à 3 %, pour chacun des trois modes d'acquisition. On voit sur la figure 9a que dans le cas d'une acquisition classique, seule une petite partie de l'information est peu polluée (moins de 15 %). Dans le cas d'une acquisition selon le traitement décrit dans FR 2 678 460, les repliements spectraux sont en dehors de la zone occupée par le spectre (figure 9b). Il en est de même dans le cas du traitement quinconce proposé par l'invention dans lequel le repliement de spectre intervient en dehors de la zone Zi (figure 9c). Ces résultats sont par ailleurs indiqués dans le tableau I ci-dessous sur lequel on a porté - la zone du plan de Fourier polluée par le repliement de spectres, exprimée en fraction de la surface de la zone a priori accessible compte tenu de 1 'échantillonnage, - la zone du plan de Fourier pour lequel le contenu fréquentiel n'est pas trop atténué par la fonction de transfert, caractérisée par une valeur de FTM supérieure au seuil de 3% - la quantité de données produites pour imager une même zone, normalisée par le débit "classique". TABLEAU I CLASSIQUE FR 2 678 460 QUINCONCE Zone affectée par 85% 0% 0% le repliement Zone où FTM > 3 % 100% 56% 99% Débit des données 1 4 2 On voit sur ce tableau que le traitement décrit dans FR 2 678 460 ne présente pas de repliement spectral mais génère des spectres en grande partie vides. A l'inverse, le traitement classique utilise une zone du plan de Fourier qui est trop restreinte pour contenir toute l'information transmise par la FTM instrumentale, ce qui induit un fort niveau de repliement des spectres et interdit tout déconvolution. L'échantillonnage proposé par l'invention permet quant à lui d'obtenir un spectre qui occupe une zone où la Fonction de Transfert de Modulation est suffisante pour que le signal soit exploitable et où le repliement du spectre est négligeable. Le débit de données est deux fois moins important qu'avec l'échantillonnage de FR 2 678 460. L'échantillonnage quinconce qui vient d'être décrit optimise de façon générale toute acquisition avec une instrumentation correspondant à une Fonction de Transfert de Modulation à symétrie rectangulaire. La FTM est alors le produit séparable de deux fonctions monodimensionnelles paires respectivement des variables fx (fréquence en ligne) et fy (fréquence en colonne). La propriété d'optimalité de l'échantillonnage quinconce provient de l'affaissement de la FTM (donc de l'information) suivant la diagonale précisément dans la direction où l'échantillonnage quinconce possède la résolution géométrique la plus grossière. A l'inverse, les résolutions ligne et colonne sont identiques à celles que l'on obtient avec un échantillonnage classique, c'est à dire en prenant tous les points qui s'annulent à la fréquence Shannon. On notera que la Fonction de Transfert de Modulation dépend de nombreux contributeurs : optique d'instrumentation, barrettes de détecteurs, effet de filé dû au déplacement du satellite pendant la prise de vue. Selon le cas, elle peut être à symétrie rectangulaire, ainsi que cela a été envisagé dans la description qui précède, ou à symétrie radiale. Dans le cas où la Fonction de Transfert de Modulation est à symétrie radiale, un échantillonnage du type de celui qui a été représenté sur la figure 10 est optimal. Cet échantillonnage est dit hexagonal. Il est réalisable à partir de deux barrettes identiques parallèles décalées d'un demi pixel dans leur longueur et d'un demi pixel dans leur direction de déplacement qui est perpendiculaire à leur longueur. Pour chaque barrette, la distance entre deux détecteurs élémentaires voisins projetés au sol est égale à 3vote, où V est la vitesse du point subsatellite et où te est le temps d'échantillonnage. Les deux barrettes sont déphasées de te/2 lune par rapport à l'autre et les valeurs de deux acquisitions successives de chaque barrette étant lues alternativement. On génère ainsi un échantillonnage hexagonal qui est optimal pour les FTM à symétrie radiale, le spectre correspondant à la zone significative de la FTM et n'étant pas effectué par le repliement. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition d'une image au moyen d'au moins une barrette ou une matrice de capteurs de type à transfert de charge défilant au droit de la zone observée, caractérisé en ce que l'échantillonnage en ligne et en colonne que réalisent ces capteurs est tel que le spectre de l'image est principalement situé dans une zone du plan de Fourier où la Fonction de Transfert de Modulation est significative et où le repliement du spectre est limité. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la Fonction de Transfert de Modulation est à symétrie rectangulaire, l'échantillonnage consiste en une acquisition en quinconce d'un pixel sur deux en ligne et en colonne. 3. Procédé d'acquisition selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque la Fonction de Transfert de Modulation est à symétrie radiale, l'échantillonnage consiste en une acquisition hexagonale. 4. Procédé d'acquisition selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on acquiert une image par au moins deux barrettes de détecteurs linéaire de même pas, décalées d'une fraction de pas élémentaire dans la direction selon laquelle elles s'étendent et dans la direction perpendiculaire, leur(s) temps d'échantillonnage étant tel(s) que le spectre de l'image est principalement situé dans une zone du plan de Fourier où la Fonction de Transfert de Modulation est significative. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 et 4 prises en combinaison, caractérisé en ce que le temps d'échantillonnage des deux barrettes sont égaux à l'inverse de la fréquence de coupure des détecteurs élémentaires. 6. Procédé selon les revendications 3 et 4 prises en combinaison, caractérisé en ce que la distance entre deux détecteurs élémentaires voisins de chacune des barrettes projetés au sol est égal à i3Vte, où V est la vitesse des points projetés au sol et où te est le temps d'intégration des détecteurs, les barrettes étant déphasées de te/2, les valeurs de deux acquisitions successives de chaque barrette étant lues alternativement. 7. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à l'observation satellitaire.