Brevet FR2842975A1 — publié le 20040130

La présente invention concerne, de manière générale, des dispositifs de formation d'image électroniques et, plus précisément, des appareils et des procédés pour fournir une capacité de zoom numérique à résolution améliorée dans un dispositif de formation d'image électronique tel qu'un appareil photographique numérique ou une caméra vidéo numérique. Des dispositifs de formation d'image électroniques, tels que des appareils photographiques numériques ou des caméras vidéo numériques comprennent souvent une fonction de zoom. Cette fonction peut être procurée optiquement, grâce à l'utilisation d'un objectif à focale variable ou en découpant (et, lorsque cela est possible, en remettant à l'échelle) l'image numérique. Ce dernier procédé est souvent appelé "zoom numérique". Bien qu'il soit simple et peu coteux à mettre en oeuvre, le zoom numérique présente un inconvénient majeur: la perte de résolution lors de la remise à l'échelle à une dimension d'image plus grande. Une image numérique peut être mise à l'échelle à une dimension d'image plus grande en utilisant les informations de pixels existants pour estimer les pixels ajoutés. Le procédé le plus simple duplique la valeur du pixel le plus proche. Des techniques plus sophistiquées utilisent l'interpolation pour générer une valeur de pixel intermédiaire à partir de quelques pixels voisins. L'interpolation bilinéaire et l'interpolation bicubique sont des exemples de ces techniques. Chaque procédé de remise à l'échelle, en particulier la duplication de pixels, produit une image qui perd en qualité à des facteurs de zoom élevés, même si le dispositif de formation d'image électronique présente une résolution raisonnablement élevée. Le fait de fournir au dispositif de formation d'image électronique une résolution encore plus élevée pour compenser le zoom numérique ajoute au cot du dispositif. Bien qu'un objectif à focale variable optique évite l'inconvénient majeur du zoom numérique, un objectif à focale variable optique peut ajouter du volume, du poids et du cot au dispositif de formation d'image électronique. Il est donc clair qu'il est nécessaire de disposer dans l'art d'une capacité de zoom numérique à résolution améliorée dans un dispositif de formation d'image électronique. Un dispositif de formation d'image électronique ayant une capacité de zoom numérique à résolution améliorée est proposé. Un procédé associé pour fournir une capacité de zoom numérique à résolution améliorée dans un dispositif de formation d'image électronique est également proposé. D'autres aspects et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante, conjointement avec les dessins annexés, illustrant, à titre d'exemple, les principes de l'invention. Les figures IA et iB sont des schémas fonctionnels d'un dispositif de formation d'image électronique conforme à un mode de réalisation illustratif de l'invention. La figure 2A est une illustration d'une matrice de capteurs de formation d'image présentant une disposition de pixels "déformée en coussin" conforme à un mode de réalisation illustratif de l'invention. La figure 2B est une illustration d'une matrice de capteurs de formation d'image ayant une disposition de pixels rectilinéaire non uniforme conforme à un autre mode de réalisation illustratif de l'invention. La figure 3 est un organigramme d'un procédé destiné à fournir une capacité de zoom numérique à résolution améliorée dans le dispositif de formation d'image électronique représenté sur les figures lA et 1B. La figure 4 est un organigramme d'un autre procédé destiné à fournir une capacité de zoom numérique à résolution améliorée dans le dispositif de formation d'image électronique représenté sur les figures 1A et 1B. La figure 5 est une image dépourvue de distorsion intentionnelle créée en utilisant une matrice de capteurs de formation d'image ayant une disposition de pixels uniforme. La figure 6 est une version numériquement agrandie par zoom et remise à l'échelle de l'image représentée sur la figure 5. La figure 7 est une image contenant une distorsion intentionnelle créée en 25 utilisant une matrice de capteurs de formation d'image ayant une disposition de pixels non uniforme conforme à un mode de réalisation illustratif de l'invention. La figure 8 est une image numériquement agrandie par zoom et remise à l'échelle à résolution améliorée générée à partir de l'image représentée sur la figure 7 conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. La qualité de l'image obtenue à partir d'un zoom numérique peut être améliorée en numérisant une image optique en utilisant une matrice de capteurs de formation d'image ("matrice de capteurs") ayant une disposition de pixels non uniforme dans laquelle la dimension des capteurs de formation d'image augmente depuis le centre de la matrice jusqu'à son périmètre et dans laquelle le pas (inversement proportionnel à l'espacement des éléments d'image) des capteurs de lormation d'image diminue depuis le centre de la matrice jusqu'à son périmètre. Dans cette description, la "résolution" d'une image numérique se réfère au nombre d'éléments d'image (pixels) par unité linéaire de mesure de l'image optique cible à partir de laquelle elle est produite. Une matrice de capteurs non uniforme, telle que celle que l'on vient de décrire, produit une image numérique déformée ayant près du centre une résolution plus élevée qu'au niveau des bords. En conséquence, cette région centrale de l'image déformée peut être découpée et remise à l'échelle avec moins de perte de qualité qu'avec une image classique (non déformée) créée en utilisant une matrice de capteurs de formation d'image uniformément répartis et ayant le même nombre total de pixels. En outre, la distorsion géométrique dans l'image provoquée par la matrice de capteurs de formation d'image non uniforme peut être corrigée en utilisant des techniques mathématiques bien connues dans l'art du traitement d'images. La correction peut être effectuée soit avant, soit après le découpage. Les figures IA et lB sont des schémas fonctionnels d'un dispositif de formation d'image électronique 100 conforme à un mode de réalisation illustratif de l'invention. Le dispositif de formation d'image électronique 100 peut être un appareil photographique numérique, une caméra vidéo numérique, ou tout autre dispositif de formation d'image électronique qui numérise des images optiques. Sur la figure 1 A, un contrôleur 105 communique, sur un bus de données 110, avec un module de formation d'image 115, une mémoire 120 et un afficheur 125. Un système optique 130 produit des images optiques qui sont converties en images numériques par le module de formation d'image 115. Dans une mise en oeuvre typique, le système optique 130 peut comprendre, par exemple, une lentille, plusieurs lentilles, ou une combinaison d'une ou plusieurs lentilles avec un ou plusieurs miroirs. Le module de formation d'image 115, dans une mise en oeuvre typique, peut comprendre une matrice de photocapteurs basée sur un dispositif à transfert de charge (DTC) ou sur la technologie CMOS agencée en une disposition de pixels non uniforme, un convertisseur analogique/numérique (AN), une commande de gain, et un processeur de signaux numériques (Digital Signal Processor DSP) (non représentés sur la figure lA). La nature de la disposition de pixels non uniforme de la matrice de capteurs de formation d'image associée au module de formation d'image 115 sera expliquée de manière plus détaillée en liaison avec les figures 2A et 2B. La mémoire 120 comprend, en outre, une mémoire vive (MEV) 135, une mémoire rémanente 140 et un tmicroprogramme/logiciel de zoom numérique 145. En se référant à la figure lB, le microprogramme/logiciel de zoom numérique 145 peut comprendre des aiodules "zoom numérique" 150, "corriger la distorsion" 155 et "remettre l'image à l'échelle" 160. Le module zoom numérique 150 découpe une image numérique à l'intérieur d'une partie centrale de l'image ayant une résolution relativement plus élevée qu'une partie de bord conformément à un facteur de zoom numérique souhaité. Le module corriger la distorsion 155 corrige la distorsion introduite par la disposition de capteurs non uniforme du module de formation d'image 1 1 5. La correction de la distorsion sera expliquée de manière plus détaillée dans une partie ultérieure de cette description. Le module remettre l'image à l'échelle 160 agrandit une image découpée soit en dupliquant les pixels soit, de préférence, par interpolation. Des techniques de duplication de pixels et d'interpolation sont bien connues dans l'art du traitement d'images numériques. Le module remettre l'image à l'échelle 160 peut, par exemple, être utilisé pour procurer à un utilisateur du 1 5 dispositif de formation d'image électronique 100 une prévisualisation d'une scène numériquement agrandie par zoom avant qu'une image finale soit saisie. La remise à l'échelle peut également être employée comme étape de post-traitement dans certaines applications. A titre d'exemple, un utilisateur peut remettre à l'échelle une image numérique agrandie par zoom à une dimension plus grande avant d'imprimer l'image. Les limites fonctionnelles caractérisant les modules zoom numérique 150, corriger la distorsion 155 et remettre l'image à l'échelle 160 sont purement conceptuelles. A titre d'exemple, ces fonctions peuvent être mises en oeuvre sous forme de trois modules logiciels ou de microprogramme séparés, ou sous forme de moins de trois modules logiciels ou de microprogramme, ou de toute autre manière avantageuse, y compris du matériel personnalisé ou une combinaison de matériel et de logiciel/microprogramme. Dans une mise en oeuvre typique, la mémoire rémanente 140 peut être du type amovible, comme les cartes CompactFlash, Smart MediaTm ou Secure DigitalTM. La mémoire amovible est souvent utilisée pour mémoriser des images numériques qui ne rentrent pas l'intérieur de la mémoire interne du dispositif de formation d'image électronique 100. Les figures 2A et 2B illustrent des exemples de dispositions de pixels non régulières et/ou non rectilinéaires pour le module de formation d'image 115. La figure 2A est une illustration d'une matrice de capteurs de formation d'image ayant une disposition de pixels "déformée en coussin" conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. Une image créée en utilisant une telle matrice de capteurs, lorsqu'elle est visualisée de manière classique (sur une grille rectangulaire), présente une distorsion en "barillet" (la distorsion géométrique opposée de la disposition des pixels). La figure 2B est une illustration d'une matrice de capteurs de formation d'image présentant une disposition de pixels non uniforme rectilinéaire conformément à un autre mode de réalisation illustratif de l'invention. L'agencement rectilinéaire peut présenter l'avantage de simplifier la disposition des pixels de capteurs du module de formation d'image 115 et la correction ultérieure de la distorsion. En général, chaque disposition des pixels de capteurs qui place une résolution suffisante près du centre de l'image numérique obtenue o elle est le plus nécessaire pour le zoom numérique est satisfaisante pour les besoins de l'invention. La distorsion introduite par le module de formation d'image 115 peut être caractérisée et corrigée en utilisant des techniques qui sont bien connues dans l'art du traitement d'images numériques. A titre d'exemple, des procédés sont décrits dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 751 863 de Farr et dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 5 359 363 de Kuban et al. La correction d'une distorsion géométrique comprenant, en général, la correction de la distorsion à la fois "en barillet" et "en coussin", est également expliquée dans William K. Pratt, Digital Image Processing, John Wiley & Sons, Inc., New York City, New York, 1978, pages 429 à 432. Une approche appelée "déformation spatiale" décrite dans Pratt implique l'ajustement d'une courbe polynomiale à chaque ligne de grille déformée 205 sur la figure 2A dans les directions horizontale et verticale, puis le calcul d'une fonction de correction inverse pour chaque cellule définie par les lignes d'intersection de grille. Le Brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 5 796 095 de Matsuyama et al. décrit une matrice de capteurs de formation d'image ayant une région centrale rectangulaire d'un pas élevé et une région marginale environnante d'un pas relativement plus petit. Toutefois, le brevet de Matsuyama et al., qui concerne un appareil à mise au point automatique pour un appareil photographique numérique, utilise la résolution plus élevée fournie par la partie centrale de la matrice de capteurs pour améliorer la performance de la mise au point automatique. Le brevet de Matsuyama et al. n'explique pas la génération d'une image numérique complète en utilisant tous les capteurs dans une matrice de capteurs non uniforme pour produire une image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée. La figure 3 est un organigramme d'un procédé destiné à mettre en oeuvre un zoom numérique dans un dispositif de formation d'image électronique 100 conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. En 305, le système optique 130 peut être utilisé pour produire une image optique. Le module de formation d'image 115 peut ensuite convertir l'image optique en une image numérique contenant une distorsion commandée et intentionnelle en 310. L'image numérique produite en 310 présente une résolution relativement plus élevée près du centre qu'au niveau des bords. En 315, un module zoom numérique 150 peut agrandir numériquement par zoom (découper) l'image numérique à l'intérieur de la partie centrale o la résolution est plus élevée. En 320, le module corriger la distorsion 155 peut corriger la distorsion dans l'image découpée provoquée par le module de formation d'image 115. L'image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée obtenue peut ensuite être sortie en 325, et le processus se termine en 330. Le module remettre l'image à l'échelle 160 peut éventuellement être appelé pour procurer une prévisualisation avant la saisie de l'image finale ou pour post-traiter l'image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée. La figure 4 est un organigramme d'un autre procédé destiné à mettre en oeuvre un zoom numérique dans un dispositif de formation d'image électronique 100 conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. Sur la figure 4, les étapes 305 et 310 sont exécutées comme sur la figure 3. Toutefois, le module corriger la distorsion 155 corrige la distorsion provoquée par le module de formation d'image 115 en 405 avant l'agrandissement par zoom numérique (découpage) de l'image en 410 par le module zoom numérique 150. Une image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée peut ensuite être sortie en 415, et le processus se termine en 330. Le module remettre l'image à l'échelle peut éventuellement être appelé pour procurer une prévisualisation avant la saisie de l'image finale ou pour post-traiter l'image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée. L'ordre de l'agrandissement par zoom numérique (découpage) et de la correction de la distorsion géométrique n'est pas critique et peut être mis en oeuvre comme sur la figure 3 ou sur la figure 4. La mise en oeuvre représentée sur la figure 3 présente toutefois l'avantage que moins de pixels restent à traiter pendant l'étape de correction de la distorsion. Les figure 5 à 8 sont des images représentant le fonctionnement de l'invention et démontrant ses avantages par rapport aux mises en oeuvre classiques de zoom numérique. (On notera que des images à très basse résolution sont utilisées sur les figures 5 à 8 à des fins d'illustration. Des systèmes typiques de formation d'image produisent des images avec des millions de pixels.) La figure 5 est une image numérique de référence dépourvue de distorsion intentionnelle saisie en utilisant une matrice classique de capteurs de formation d'image ayant une disposition de pixels uniforme. Lorsque l'image sur la figure 5 est découpée (numériquement agrandie par zoom) et remise à l'échelle à la dimension d'origine, une détérioration significative de la qualité de l'image se produit, comme cela est représenté sur la figure 6. La figure 7 est une image numérique de la même scène que sur la figure 5 saisie avec le même nombre total de pixels que sur la figure 5 en utilisant une matrice de capteurs ayant une disposition de pixels "en coussin" similaire à celle représentée sur la figure 2A conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. En raison de la disposition de pixels déformée, l'image sur la figure 7 contient un degré élevé de distorsion "en barillet". La figure 8 est l'image sur la figure 7 après découpage (agrandissement par zoom numérique), correction de la distorsion et remise à l'échelle à la dimension d'origine conformément à un mode de réalisation illustratif de l'invention. La figure 8 est d'une qualité nettement supérieure à celle de la figure 6. La disposition de pixels non uniforme du module de formation d'image procure un avantage supplémentaire: puisque les photocapteurs près des bords de la matrice de capteurs ont une surface plus grande que ceux près du centre, ils ont une puissance de collecte de lumière plus importante que ceux près du centre. Cet agencement compense le vignettage de la lentille (éclairement relativement plus faible dans une image optique près de ses bords que près de son centre) et peut, en conséquence, permettre à la spécification de vignettage de la lentille d'être libérée. Une spécification de vignettage libérée permet à la lentille d'être à la fois plus petite et moins coteuse. La description qui précède de la présente invention a été présentée à des fins d'illustration et de description. Elle n'est pas destinée à être exhaustive ni à limiter l'invention à la forme précise décrite, et d'autres modifications et variantes sont possibles à la lumière des explications figurant cidessus. Les modes de réalisation ont été choisis et décrits afin d'expliquer le mieux possible les principes de l'invention et de son application dans la pratique pour permettre ainsi à l'homme du métier d'utiliser le mieux possible l'invention dans divers modes de réalisation et diverses modifications selon l'utilisation particulière envisagée. Les revendications annexées doivent être interprétées comme comprenant d'autres modes de réalisation alternatifs de l'invention sauf dans les limites de l'art antérieur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de formation d'image électronique 100 ayant une capacité de zoom numérique à résolution améliorée, caractérisé en ce qu'il comprend: un système optique 130 pour produire une image optique; une matrice de capteurs de formation d'image 115 pour convertir l'image optique en une image numérique, les capteurs de formation d'image 115 variant en termes de dimension et de pas, la dimension augmentant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, le pas diminuant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, les capteurs de formation d'image 115 introduisant ainsi une distorsion géométrique dans l'image numérique, une partie centrale de l'image numérique acquérant ainsi une résolution relativement plus élevée qu'une partie de bord de l'image 1 5 numérique; une première logique 150 pour extraire une image numérique découpée de l'intérieur de la partie centrale; et une seconde logique 155 pour corriger la distorsion géométrique dans l'image numérique découpée, le dispositif de formation d'image électronique 100 produisant ainsi une image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée. 2. Dispositif de formation d'image électronique 100 selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: une troisième logique 160 pour remettre à l'échelle l'image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée à une dimension prédéterminée. 3. Dispositif de formation d'image électronique 100 ayant une capacité de zoom numérique à résolution améliorée, caractérisé en ce qu'il comprend: un système optique 130 pour produire une image optique; une matrice de capteurs de formation d'image 115 pour convertir l'image optique en une image numérique, les capteurs de formation d'image 115 variant en termes de dimension et de pas, la dimension augmentant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, le pas diminuant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, les capteurs de formation d'image introduisant ainsi une distorsion géométrique dans l'image numérique; une première logique 155 pour corriger la distorsion géométrique dans l'image numérique pour produire une image numérique corrigée, une partie centrale de l'image numérique corrigée ayant une résolution relativement plus élevée qu'une partie de bord de l'image numérique corrigée; et une seconde logique 150 pour découper l'image numérique corrigée à l'intérieur de la partie centrale, le dispositif de formation d'image électronique produisant ainsi une image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée. 4. Dispositif de formation d'image électronique 100 selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: une troisième logique 160 pour remettre à l'échelle l'image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée à une dimension prédéterminée. 5. Procédé pour fournir une fonction de zoom numérique à résolution améliorée dans un dispositif de formation d'image électronique 100, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: produire une image optique; convertir l'image optique en une image numérique en utilisant une matrice de capteurs de formation d'image 115, les capteurs de formation d'image variant en termes de dimension et de pas, la dimension augmentant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, le pas diminuant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, les capteurs de formation d'image 115 introduisant ainsi une distorsion géométrique dans l'image numérique, une partie centrale de l'image numérique acquérant ainsi une résolution relativement plus élevée qu'une partie de bord de l'image numérique; produire une image numérique découpée à partir de l'intérieur de la partie centrale; et corriger la distorsion géométrique dans l'image numérique découpée pour produire une image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée. Il 6. Procédé pour fournir une fonction de zoom numérique à résolution améliorée dans un dispositif de formation d'image électronique 100, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: produire une image optique; convertir l'image optique en une image numérique en utilisant une matrice de capteurs de formation d'image 115, les capteurs de formation d'image variant en termes de dimension et de pas, la dimension augmentant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, le pas diminuant depuis le centre de la matrice 115 jusqu'au périmètre de la matrice 115, les capteurs de formation d'image 115 introduisant ainsi une distorsion géométrique dans l'image numérique; corriger la distorsion géométrique dans l'image numérique pour produire une image numérique corrigée, une partie centrale de l'image numérique corrigée ayant une résolution relativement plus élevée qu'une partie de bord de l'image numérique corrigée; et découper l'image numérique corrigée à l'intérieur de la partie centrale pour produire une image numériquement agrandie par zoom à résolution améliorée.