Brevet FR2756129A1 — publié le 19980522

CAMERA VIDEO A DEVIATEUR D'AUGMENTATION DE RESOLUTION La présente invention concerne les caméras vidéo du type comprenant un détecteur ayant une matrice bidimensionnelle de sites photosensibles à accumulation de charges, répartis avec un pas déterminé, placée dans un plan image d'un système optique et reliée à un circuit de transfert périodi- que des charges accumulées, à une fréquence déterminée; et un organe déviateur interposé sur le trajet lumineux entre une pupille d'entrée et la matrice, permettant de défléchir ce trajet dans tous les sens autour d'une direction nomina- le. Les matrices ont un nombre de sites photosensibles limité. Pour améliorer l'image, on a déjà proposé des caméras dans lesquelles l'organe déviateur est commandé de façon à effectuer un micro-balayage avec un pas inférieur au pas de répartition des sites, améliorant la résolution spatiale par suréchantillonnage de la scène observée par la caméra. On peut par exemple faire correspondre chaque site photo-sensible successivement à quatre points différents de la scène pour une orientation donnée du faisceau d'entrée dans la caméra. On sait par ailleurs que les sites photosensibles n'ont pas tous exactement la même réponse, aussi bien dans leur état initial que du fait d'une évolution possible différente dans le temps. Il existe déjà des procédés permettant d'effectuer un calibrage et de mémoriser les caractéristi- ques des sites, de façon à effectuer ultérieurement des corrections par calcul. Un tel calibrage constitue une opération préalable et requiert la mise en oeuvre de moyens supplémentaires. L'invention vise notamment à fournir une caméra vidéo du type ci-dessus défini dans laquelle les deux fonctions sont intégrées dans un même ensemble, ce qui simplifie notable- ment la conception et la réalisation de la caméra. Dans ce but, l'invention propose notamment une caméra du type défini cidessus, caractérisée en ce qu'elle comprend: une unité de commande périodique de l'organe déviateur, capable de provoquer une déviation de l'image selon les deux dimensions, chaque fois d'une fraction déterminée du pas, suivant un premier cycle déterminé, pour réaliser un suréchantillonnage spatial, et capable de provoquer une déviation de l'image, chaque fois d'un pas complet, suivant un second cycle, multiple du premier, et une unité de traitement permettant de calculer les écarts de gain et les décalages de réponse entre les sites par comparaison entre les réponses de deux sites exposés successivement au même point d'une scène et de compenser ces écarts et décalages. Les caméras embarquées ou tenues à la main se heurtent par ailleurs au problème des vibrations provoquées par le support, qui tendent à brouiller l'image. L'invention propose de réaliser cette stabilisation en même temps que le micro-balayage et en utilisant le même organe déviateur. Pour cela, la caméra comprend également des détecteurs de vibration, tels que des gyromètres fournissant à l'unité de traitement des signaux suivant deux directions orthogonales pour faisceau lumineux traversant l'optique d'entrée et ladite unité est prévue pour commander l'organe déviateur pour compenser les vibrations. La caméra peut comporter simultanément les trois fonctions de microbalayage, d'uniformisation de réponse et de stabilisation; elle peut également être prévue pour ne remplir que deux sur trois de ces fonctions, par exemple seulement le micro-balayage et la stabilisation à la fois. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exem- ple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe montrant la constitution générale d'une caméra vidéo utilisable pour former des images en infrarouge, à laquelle peut s'appliquer l'invention; - la figure 2 est un synoptique destiné à montrer les composants essentiels de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective simplifiée montrant une constitution possible d'un organe déviateur utilisable dans la caméra de la figure 2; - les figures 4A, 4B et 4C montrent des étapes succes- sives de calibrage, lors de la mise en oeuvre d'un disposi- tif du genre montré en figure 2; - la figure 5 montre le trajet suivi par l'image d'un point de la scène sur la matrice de sites photosensibles, au cours d'une séquence de déviation permettant à la fois un suréchantillonnage par micro-balayage et un calibrage. La figure 1 montre la constitution de principe d'une caméra vidéo à laquelle est applicable l'invention. Elle comporte une optique d'entrée 10 permettant de transformer un faisceau parallèle d'entrée en un faisceau convergent qui est repris, par une optique de sortie et focalisé sur une matrice bidimensionnelle 14 de sites photosensibles, telle qu'une matrice de capteurs CCD. Un filtre de couleur 16 et/ou un diaphragme peut être interposé sur le faisceau. Un organe déviateur 20 peut être interposé sur le trajet du faisceau pour le dévier d'un angle faible par rapport au champ angulaire de la caméra. Habituellement, un tel déviateur, qui peut avoir diverses constitutions (diasporamètre, cellule remplie de liquide à faces inclinables pour constituer un prisme) est placé dans le faisceau parallèle d'entrée. Cette solution impose l'emploi d'un déviateur 20 de diamètre pratiquement égal à celui de l'optique d'entrée. Or une telle optique doit avoir un grand diamètre lorsque la camera est prévue pour former des images en infrarouge, et notamment en infrarouge thermique, d'une scène. Dans ce cas, l'utilisation d'un déviateur constitué par une cellule à faces inclinables peut difficilement être envisagée. En effet, le coût d'une cellule contenant un liquide transpa- rent dans l'infrarouge lointain (CS2 par exemple) et ayant des parois constituées par des lames à faces parallèles en un matériau également transparent (ZnSe, ZnS, Ge) devient prohibitif. Il semble à première vue que la qualité de l'image est forcément dégradée, à amplitude de déviation constante, si on place le déviateur sur la partie convergente du faiseau. En fait, il est apparu que la qualité de l'image n'est pas sensiblement dégradée à condition de limiter les débatte- ments à des valeurs relativement faibles, inférieures à 1 . Cet angle est largement suffisant pour se traduire par une modification de l'emplacement d'un point de la scène, sur la matrice 14, représentant une fraction notable de la dimen- sion de la matrice 14. Par exemple, un débattement angulaire de 0,5 peut se traduire par une amplitude de déplacement sur la matrice de 0, 38 mm, soit environ 1/8 de la matrice, lorsque celle-ci a une dimension dans chaque sens de 6 mm. Si nécessaire, on peut augmenter cette valeur en prévoyant des moyens de déplacement de la matrice, dans son plan, d'un nombre déterminé de pas de répartition des sites photosensi- bles. Lorsque, ce qui est le cas habituel, l'une des faces de la cellule 20 est déplaçable autour d'un premier axe x orthogonal à l'axe optique et que l'autre cellule est orientable autour d'un axe y orthogonal au précédent, la différence entre les facteurs d'échelle (rapport entre le déplacement de l'image sur la matrice et l'angle d'inclinai- son de la face) reste faible. Dans un exemple représentatif, l'écart entre les deux est de l'ordre de 5 %. Il peut en être tenu compte dans les chaînes de commande. La caméra dont le synoptique est donné en figure 2 permet de remplir l'ensemble des fonctions définies plus haut, à savoir: - l'amélioration de la résolution spatiale, grâce à un micro-balayage, - l'amélioration de l'uniformité de l'image par cali- brage et correction des dispersions de gain et de décalage (ou "offset") des sites photosensibles, - la stabilisation de l'image pour éviter des pertes de résolution, en cas de vibrations. Lorsque deux seulement des trois objectifs sont recher- chés, il peut y avoir omission de certains éléments et simplification du processus de commande, La figure 2, o les éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent les mêmes numéros de référence, montre un déflecteur constitué de deux lames 22 et 24 reliées par un élément souple et définissant une cellule remplie de liquide. La lame 22 est orientable par des moyens 26 autour d'un axe x orthogonal à l'axe optique et généralement parallèle à l'une des directions de la matrice 16. L'autre paroi 24 est orientable par un second moteur 28 autour d'un axe y orthogonal à l'axe optique et à l'axe x. Toute dévia- tion angulaire du faisceau provoquée par le déviateur 20 se traduit par une déviation en x ou en y, suivant le cas, sensiblement proportionnelle à la distance d et à l'angle de déviation angulaire. La figure 3 montre une réalisation possible du déviateur de la figure 2. Les deux parois 22 et 24 sont constituées par des lames en matériau transparent au rayonnement et montées sur la structure 30 de la caméra de façon à pouvoir tourner autour d'axes respectifs x et y. Le bord de chaque lame opposé à l'axe de rotation est solidarisé de moyens respectifs 26 et 28 constitués par exemple par des action- neur piézo-électriques. De tels actionneurs, comportant un empilement de pastilles, peuvent provoquer des déplacements de plusieurs dizaines de microns. Si nécessaire, l'empile- ment peut être remplacé par un dispositif bilame permettant d'arriver sans difficulté à une amplitude de déplacement d'environ 150 pm. Les parois 22 et 24 sont reliées par un soufflet 32, généralement en matière plastique ou en métal, permettant d'absorber les variations de volume provoquées par le déplacement relatif des deux parois. On tient ainsi compte de l'incompressibilité du liquide. On décrira maintenant les séquences d'opérations permettant de remplir les fonctions ci-dessus. Le principe de la correction du défaut d'uniformité des caractéristiques des sites photosensibles est le suivant. Les sources naturelles contenues dans la scène observée par la caméra changent peu d'une image à la suivante. En amenant, dans deux images successives, chaque site à observer ce que voyait un site voisin à l'image précédente, il est possible de calibrer, en cascade, l'ensemble des sites en prenant comme référence un site particulier, par exemple le site P(x0,y0) situé au centre de la matrice (figure 4A). Dans le cas particulier de la matrice, ayant quelques sites seulement, montrée en figures 4A à 4B, on peut prendre comme référence le site central, pour lequel le gain est Go et le décalage de zéro ou offset est 80. La réponse Mi, d'un site occupant la ligne i et la colonne j de la matrice peut alors s'écrire: fij = Gij.ri, j + O ij (1) Si, entre la formation d'une image, à l'instant t, et la formation de l'image suivante, à l'instant t+T, on décale d'un pas l'image de la scène sur la matrice, dans le sens des lignes, on doit avoir: i,j (t) = 0 ij+l(t+T) Si on mémorise l'image obtenue au temps t, on pourra, par comparaison, déterminer l'écart entre le site P(xo,Yo) et un pixel voisin. L'opération peut être répétée pour déterminer les écarts entre le site central et les quatre sites qui l'encadrent, indiqués par des croix sur la (figure 4B). Puis ainsi on peut propager le calibrage de proche en proche sur toute la matrice (figure 4 C), pour un effet de réseau de neurones. Le sur-échantillonnage s'effectue, dans le cas o il vise à doubler la résolution dans les deux directions, par des décalages successifs de p/2 de l'image sur la matrice, par commande du déflecteur 20. Lorsque par exemple on souhaite obtenir une visualisation à 25 Hz avec une résolu- tion p/2, le déviateur sera commandé à une cadence de 100 Hz. Dans le cas d'une matrice o la durée d'intégration de lumière est de 100 us et d'une trame de 10 ms, le déviateur doit changer la position de l'image en 9,9 ms. La combinaison de mouvements requise pour le sur-échan- tillonnage et le calibrage peut être celle montrée en figure , o la séquence comporte les déplacements successifs numérotés de 1 à 8. Enfin la correction des vibrations pour stabiliser l'image nécessite la mesure des déplacements angulaires de la caméra. Dans le cas de la figure 2, deux gyromètres 34 et 36 sont montés sur le bottier de la caméra et fournissent des signaux de sortie représentatifs des vitesses Vx et Vy autour des deux axes x et y. Les corrections à effectuer bx et by sont proportionnel- les à Vx et Vy, qui peuvent être considérés comme constantes entre deux images à 100 Hz: Èx(t) = kx Vx(t) ôy(t) = ky Vy(t) o kx et ky sont des constantes mesurées ou calibrées. Les angles au sommet bx et bp à donner au déviateur sont alors tels que: bx d. (n.l).ôx o n est l'indice du liquide. Le mélange des trois actions peut être fait par simple composition linéaire, avec une modification des déviateurs à une cadence de 100 Hz. Dans la direction x par exemple, le déplacement total à provoquer est la somme: dx + Ax + Èx(t) o dx peut prendre les valeurs 0 etap et Ax les valeurs 0 et +p/2. Dans la direction Y, le déplacement s'écrirait: dy + Ay + by(t) Le circuit de commande associé à la partie électro- optique de la caméra peut avoir la constitution montrée en figure 2. Les signaux de sortie de la matrice 14 sont appliqués en séquence à un circuit de correction 38 qui reçoit, en synchronisme avec les signaux, les valeurs de gain et de décalage appropriées, préalablement calculées et stockées dans des mémoires 40 et 42. Les signaux corrigés sont mis en forme en 43 et stockés dans des mémoires 44 et 46, ayant chacune une capacité d'une image. La comparaison entre les sorties de sites adjacents des deux mémoires 44 et 46 permet le calibrage, comme indiqué plus haut. Enfin les signaux mémorisés sont mis sous forme analogique par un convertisseur 50 et peuvent être visualisés sur un moniteur vidéo 52. Le calibrage, c'est-à-dire le calcul des coefficients Gij et Oij de l'équation (1) peut s'effectuer par un filtrage spatio-temporel utilisant un algorithme du type méthode des moindres carrés pour minimiser l'erreur sur des mesures successives par un site i,j relativement à une moyenne des mesures effectuées sur les sites voisins, par exemple: i, j+l à t-T i+l,j à t-2T i,j-l à t-3T e-l, j à t-4T i,j-1 à t-3T e-l,j à t-4T Le calcul peut s'effectuer en stockant plusieurs images successives non corrigées dans des mémoires non représentées sur la figure 2, et en décalant les adresses de lecture des mémoires par rapport aux adresses d'écriture lors de l'acquisition. Les fonctions de calcul nécessaires à la calibration peuvent être remplies par une unité de traitement constituée par un micro-processeur 48 muni de mémoires binaires 54 et 56 permettant de suivre l'évolution du gain et du décalage. Les consignes de déviation peuvent être fournies aux moteurs 26 et 28 par une unité de calcul et de commande spécifique 58, dans laquelle est chargé l'algorithme de calcul de déviation comportant deux séquences fixes à 25 Hz et 100 Hz et une correction variable de vibration effectuée à la cadence de 100Hz. Ces fréquences et les autres indications numériques ne constituent qu'un exemple. La fréquence de suréchantillonnage peut être de 120 Hz dans le cas d'une fréquence d'image de 30 Hz. Le calibrage pourrait être effectué par comparaison entre un nombre accru d'images et non pas seulement entre l'image courante et l'image précé- dente. Le déviateur décrit à titre d'exemple pourrait être remplacé par un autre appareil, ayant une bande passante suffisante pour permettre la correction des vibrations. REVENDICATIONS 1. Caméra vidéo comprenant: un détecteur ayant une matrice bidimensionnelle (14) de sites photosensibles à accumulation de charges, répartis avec un pas déterminé, placée dans un plan image d'un système optique et reliée à un circuit de transfert périodique des charges accumulées, à une fréquence déterminée; et un organe déviateur (20) interposé sur le trajet lumineux entre une pupille d'entrée et la matrice (14), permettant de défléchir ce trajet dans tous les sens autour d'une direction nominale, caractérisé en ce qu'elle comprend de plus: une unité (58) de commande périodique de l'organe déviateur, capable de provoquer une déviation de l'image selon les deux dimensions, chaque fois d'une fraction déterminée du pas, suivant un premier cycle déterminé, pour réaliser un suréchantillonnage spatial, et capable de provoquer une déviation de l'image, chaque fois d'un pas complet, suivant un second cycle, multiple du premier, et une unité de traitement (48) permettant de calculer les écarts de gain et les décalages de réponse entre les sites par comparaison entre les réponses de deux sites exposés successivement au même point d'une scène et de fournir des données permettant de compenser ces écarts et décalages. 2. Caméra selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend un circuit de correction (38) recevant les signaux de sortie de la matrice (14) et les données de correction de l'unité de traitement. 3. Caméra selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'elle comprend également des détecteurs de vibration (34, 36) fournissant à l'unité de commande (58) des signaux suivant deux directions orthogonales au faisceau lumineux traversant l'optique d'entrée et en ce que ladite unité est prévue pour commander l'organe déviateur pour compenser les vibrations. 4. Caméra suivant la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risée en ce que le déviateur est placé entre le détecteur et l'optique d'entrée de la caméra, sur une partie convergente du faisceau d'entrée. 5. Caméra suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le déviateur (20) est constitué par une cellule ayant des lames à faces parallèles en matériau transparent dans l'infrarouge, délimitant, avec un soufflet de jonction (32), une cavité remplie de liquide transparent dans l'infra-rouge. 6. Caméra suivant la revendication 5, caractérisée en ce que chaque lame est reliée à un actionneur piézo-électrique permettant de la faire tourner autour d'un axe, les axes de rotation des deux lames étant mutuellement orthogonaux. 7. Caméra suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite unité de commande (58) est prévue pour provoquer une déviation cyclique de l'image par pas (p) avec une durée de cycle quatre fois supérieure à une déviation, de durée de cycle de valeur p/2, suivant les deux directions.