Brevet FR2839411A1 — publié le 20031107

programme. 283941 1 L' invention concerne un procede et un dispositif pour etalonner de facon precise un systeme de prises de vue: cela s'applique particulierement a un bane de prise de w es stereoscopiques pour lequel les exigences de correction de distorsion vent tres contraignantes. Un tel systeme comprend deux cameras ayant une meme focale nominale, disposees sur un bane commun ayant un champ de vue commun pour fournir d'un m8me point observe dans le champ deux images respectives sur des matrices respectives nominalement alignees de capteurs CCD ayant des tailles nominales. Les figures 1 et 2 du dessin vent des schemes en vue de dessus (fig.l), en w e de cote (fig.2) sur lesquels on a represente les cameras par leurs matrices M1 et M2, leurs centres optiques C1 et C2, ainsi que les axes (XYZ) du bane. L'axe X est parallele aux axes optiques, l'axe Y est confondu avec la droite joignant les deux centres optiques, l'axe Z oriente vers le haut est perpendiculaire a X et Y. L'objectif de la methode de stereovision est d'etablir une carte de disparites a partir du champ de vue commun aux deux images de droite et de gauche (on appelle disparite ltecart entre les positions du meme objet vu dans la camera de gauche et celle de droite). Dans la realite, des corrections vent necessaires pour tenir compte d'un defaut eventuel d'alignement ou de realisation des matrices, d'une erreur sur la focale des optiques des cameras et des distorsions de ces optiques. Cela est generalement obtenu au moyen de mires placees dans le champ de vue des cameras et qui, grace a un traitement des images obtenues, permettent de calculer 283941 1 les parametres intrinseques et extrinseques des cameras (cf. par exemple EP 1 100 048). Cette methode presente deux inconvenients: - La precision de l' identification des parametres depend de la mire, de sa position, des conditions experimentales et des outils informatiques utilises pour extraire les points caracteristiques conduisent souvent a une modelisation des parametres trop approximative pour restreindre la correlation a une recherche sur un segment de l' image (nombre restreint de pixels de l' image rectifiee pris sur une seule ligne de ['image). Cet inconvenient est d'autant plus genant que le champ de vue est large, done les distorsions optiques importantes. L' invention a pour objet un procede et un dispositif qui permettent d'effectuer ces corrections en laboratoire sans presenter les inconvenients exposes ci-dessus. Selon le procede de l' invention: - on place le bane sur un mecanisme permettant de le deplacer de facon contr81ee en site et en azimut, eventuellement de le deplacer en translation, - on illumine chaque camera au moyen d'une meme source collimatee fixe pour former sur la À matrice de la camera une image. de la source situee a l'infini, - on commande le mecanisme pour effectuer par positions successives un balayage regulier en site et en azimut couvrant tout le champ de we 283941 1 des cameras et, pour chaque position, on traite les images prises pour determiner les coordonnees reelles de l' image, - on calcule par ailleurs les coordonnees theoriques de l' image de la source a partir des angles de balayage, de la focale nominale et des tailles nominales des capteurs, On determine les ecarts entre les coordonnees reelles et les coordonnees theoriques pour real iser un tableau des correct ions a apporter a chaque capteur. Ces tableaux vent utilises a chaque prise de we pour corriger les deux images avant de les traiter. L'interet de l' invention reside notamment dans l'utilisation d'une source collimatee permettant de ne prendre en compte que les angles d' orientation du systeme a etalonner et dans la definition arbitraire de la direction de reference du systeme a etalonner. L' invention a egalement pour objet un dispositif pour la mise en euvre de ce procede. Ce dispositif comprend, selon l' invention: - Un mecanisme sur loquel est monte le bane et - qui permet de deplacer le bane en site et en azimut, eventuellement en translation; - Un collimateur dispose dans le champ de vue des cameras pour eclairer chaque camera simultanement ou successivement, de facon a former sur la matrice de la camera une image de la source du collimateur; 283941 1 - Des moyens pour actionner le mecanisme afin de faire varier la position du bane en site et/ou en azimut; - Des moyens pour calculer les coordonnees theoriques de ces images a partir des angles de site et d'azimut, de la focale nominale des cameras et des tailles nominales des capteurs; - Des moyens pour calculer les coordonnees reelles des images formees sur les matrices pour differentes positions en site et en azimut du bane. - Des moyens pour calculer les ecarts entre les coordonnees reelles et les coordonnees theoriques pour chaque capteur. - Des moyens pour corriger les images en prenant en compte les ecarts ainsi calcules. On decrira ci-apres un exemple de realisation de ce dispositif en reference aux figures 3 et 4 du dessin joint qui vent des schemes du dispositif, respectivement en vue de dessus (fig.3) et vue de cote (fig.4). Pour faire une correction globale prenant en compte aussi bien un defaut de positionnement des matrices, une erreur sur la focale que les distorsions elles-memes, on definit a priori sur la mecanique du systeme de prise de vues un triedre de reference dont l'origine est le milieu de la base stereo et dont les directions vent definies par les normales a deux faces adjacentes d'un cube optique. L'ensemble mecanique est constitue de trots elements assembles entre eux: on trouve a la base un mecanisme de 283941 1 s translation horizontale (1), qui est utilise pour amener en face d'un collimateur, schematise sur les figures par sa direction (2)), soit l'optique de droite, soit celle de gauche, sans avoir a reprendre les reglages optiques. Sur cet element est visse un berceau goniometrique (3) d'axe horizontal dont la platine peut etre inclinee de +/- 45 . Enfin, sur cette platine est fixe un mecanisme de rotation (4) d'axe vertical. L'ordre de montage des mecanismes peut evidemment etre change en fonction des contraintes mecaniques du montage. Sur cet ensemble est visse le support (5) du bane stereo (6). Sur le support vent fixes deux mecanismes de rotation trots axes permettant le faible debattement (quelques degree) necessaire a la compensation des biais mecaniques. L'un d'eux supporte un cube optique (7) utilise pour reperer les axes de rotation, l'autre supporte le bane stereo qui porte lui-meme un cube optique (8). Le cube optique et le cube colle sur le bane vent suffisamment proches l'un de l'autre pour qu'on puisse les avoir simultanement dans le champ de vue d'une lunette autocollimatrice d' axe de visee horizontal utilisee pour les alignements, cette lunette a par exemple une focale de 160mm et une pupille de sortie de diametre 3Omm. Le collimateur utilise comme source lumineuse a une pupille de sortie suffisamment grande pour que ltoptique en cours de test soit illuminee queue que soit ['orientation du bane stereo. La source est suffisamment etendue pour donner dans le plan focal des optiques une 283941 1 image de diametre superieur a deux points image, pour que l'erreur d' interpolation obtenue par calcul du barycentre photometrique soit inferieure a 0,1 pixel. Le montage mecanique est etudie pour permettre de realiser une rotation en site et en azimut de facon precise: lterreur de direction doit etre d'au moins un ordre de grandeur inferieure a la resolution spatiale du systeme de prise de vue, soit 0,25 milliradian avec une matrice de 300x400 pixels carres de 14 microns pour une focale de 5,5 mm. On choisit des mecanismes precis au 1/100 de degre. Le mecanisme etant monte, on s' assure que ses axes de rotation vent bien orthogonaux et lion amene les faces du cube, monte sur une rotule trots axes, a etre paralleles aux axes de rotation du mecanisme. Ensuite, on aligne le faisceau du collimateur avec la direction orthogonale aux deux axes de rotation materialisee par une face du cube. Le mecanisme permet de rendre paralleles les faces du cube (7) monte sur le mecanisme avec les faces du cube (8) monte sur le bane. En illuminant successivement (ou simultanement si la pupille de sortie du collimateur est assez large) chacune des optiques, on commande les mecanismes de facon a effectuer un balayage en site et azimut regulier couvrant tout le champ de vue; a chaque position, les images prises vent traitees pour calculer le barycentre photometrique de l' image de la source. Les coordonnees obtenues vent enregistrees dans un fichier qui donne les coordonnees reelles. On calcule par ailleurs les coordonnees nominales a partir des angles de balayage, de 283941 1 la focale nominale et des tailles nominales de pixel. L'ecart entre ces valeurs donne le tableau des corrections a apporter. Ce tableau doit etre interpole pour fournir les corrections a apporter a chaque pixel. Dans la mesure ou la position dans le plan focal d'un point lumineux situe dans une direction donnee ne depend pas de la distance, cette methode permet de corriger l' ensemble des imperfections optiques. L' image acquise est traitee en temps reel de fagon a extraire le barycentre photometrique de l' image de la source. Pour en ameliorer la precision, on mesure la tension d'obscurite sur le pourtour d'une fenetre de mesure centree sur le point le plus lumineux de l' image. Cette tension varie en effet avec la position de l' image dans la matrice. Cette valeur majoree d'un certain coefficient est soustraite de l'intensite lumineuse mesuree dans la fenetre et on calcule le barycentre photometrique a partir des valeurs superieures a ce seuil. Pour chaque point de mesure, le temps de pose est ajuste pour que le point le plus lumineux ait un eclairement voisin de 90% de la dynamique de mesure. Le calcul barycentrique fournit les coordonnees du point et l'intensite de l'eclairement: cette intensite, divisee par le temps de pose, fournit l'eclairement pondere qui est une mesure du vignettage de ltoptique utilisee puisque l'intensite de la source est invariante. Cette mesure est utilisee pour effectuer une correction photometrique des images pour compenser le vignettage. Chaque point de mesure est preleve plusieurs fois et on retient la valeur moyenne obtenue. 283941 1 Les prises dtimage et leur traitement vent effectues sur un ensemble de points constituent une grille reguliere couvrant la quasi totalite de l' image: pour cela, on commence par determiner les bornes du balayage en site et en azimut en commandant les mecanismes de rotation manuellement, en-quite, ce domaine de mesure est echantillonne suivant une grille qui serait reguliere en l' absence de distorsion; le nombre de lignes et de colonnes est programmable par ltoperateur. Apres execution du balayage, le fichier de mesure fournit pour chaque point les coordonnees du barycentre photometrique et l'eclairement pondere ainsi qu'un certain nombre de status renseignant sur la validite de la mesure. Les coordonnees du point central vent egalement relevees. En divisant l'eclairement pondere par l'eclairement pondere du point central (ou d'un point voisin du centre), on determine egalement la table de correction du vignettage. Un logiciel de traitement reprend le fichier de mesure obtenu a lietape precedente. Pour chaque point mesure, le logiciel calcule liecart entre le point reel et le point nominal qui serait obtenu en l' absence de defaut optique. En prenant en compte les angles de site et d'azimut et les caracteristiques nominales de l'optique et de la matrice (focale et taille de pixel), on definit un ensemble de points qui constitueront l' image corrigee; chacun de ces points est defini par un couple (0,+). On recherche les quatre points de la grille ideale qui encadrent le point courant et on calcule la correction a affecter a ce point par une interpolation bilineaire sur 283941 1 l les corrections relatives aux quatre points encadrant, ce qui donne les coordonnees du point correspondent dans l' image reelle: ces coordonnees en general ne vent pas entieres. On fera done une nouvelle interpolation bilineaire pour obtenir les niveaux de gris d'un reseau de points equidistants alignes en ligne et en colonne correspondent dans chaque image a des angles de site et azimut identiques et predetermines. On fera egalement si necessaire la correction de vignettage. Afin d'eviter de perdre en champ de vue, pour les points qui, apres correction, se retrouvent a l'exterieur de la grille, on definira une correction geometrique par extrapolation a partir des points voisins. Ce traitement doit etre realise pour toutes les images que l'on veut correler. I1 serait possible de gagner en temps de calcul en tabulant les valeurs des corrections geometriques de chaque point. Ce serait au detriment du volume memoire puisqu'il faudrait alors stocker pour des images de 300 x 400 points, 480 000 parametres et ltetape d' interpolation des niveaux de gris ne peut pas etre tabulee puisqu'elle depend du contenu de l' image. L'invention n'est pas limitee aux exemples qui ont ete decrits. 283941 1 i REVENDICATIONS l.Procede pour etalonner de facon precise un systeme de prise de vues stereoscopiques qui comprend deux cameras ayant une meme focale nominale, disposees sur un bane commun, ayant un champ de vue commun pour fournir d'un meme point observe dans le champ deux images respectives sur des matrices respect ives nominalement al ignees de capteurs CCD ayant une taille nominale, cet etalonnage ayant pour but d'effectuer une correction tenant compte, s'il y a lieu, d'un defaut d'alignement ou de realisation des matrices, diune erreur sur la focale des optiques des cameras et des distorsions de ces optiques, dans lequel: - on place le bane sur un mecanisme permettant de le deplacer de facon controlee en site et en azimut, eventuellement de le deplacer en translation, - on illumine chaque camera au moyen d'une meme source collimatee fixe pour former sur la matrice de la camera une image de la source situee a l'infini, - on commande le mecanisme pour effectuer par positions successives un balayage regulier en site et en azimut couvrant tout le champ de vue des cameras et, pour chaque position, on traite les images prises pour determiner les coordonnees reelles de l' image, - on calcule par ailleurs les coordonnees theoriques de l' image de la source a partir des angles de balayage, de la focale nominale et des tailles nominales des capteurs, - on determine les ecarts entre les coordonnees reelles et les coordonnees theoriques pour realiser 283941 1 un tableau des corrections a apporter a chaque capteur, et - on utilise ces tableaux, a chaque prise de vue, pour corriger les deux images avant de les traiter. 2.Dispositif pour etalonner un bane de prise de wes stereoscopique comprenant deux cameras ayant une m8me focale nominale disposees sur un bane commun (6), et ayant un champ de vue commun pour fournir d'un meme point observe dans le champ deux images respectives sur des matrices respectives (M1, M2) de capteurs CCD ayant une taille nominale, cet etalonnage ayant pour but d'effectuer une correction tenant compte, s'il y a lieu, d'un defaut de positionnement ou de realisation des matrices, d'une erreur sur la focale et des distorsions optiques, ce dispositif comprenant: - un mecanisme (1-5) sur lequel est monte le bane (6) et qui permet de deplacer le bane en site et en azimut, eventuellement en translation; - un collimateur (2) fixe dispose dans le champ de vue des cameras pour eclairer chaque camera simultanement ou successivement, de facon a former sur la matrice de la camera une image de la source du collimateur; - des moyens pour calculer les coordonnees reelles des images formees sur les matrices pour differentes positions en site et en azimut du bane; - des moyens pour calculer les coordonnees theoriques de ces images a partir des angles de site et d'azimut, de la focale nominale 283941 1 des cameras et de la taille nominale des capteurs. - des moyens pour calculer les ecarts entre les coordonnees reelles et les coordonnees theoriques pour chaque capteur. - Des moyens pour corriger les images en prenant en compte les ecarts ainsi calcules. 3. Dispositif selon la revendication 2 et qui comprend des moyens pour definir sur le mecanisme un triedre de reference dont ltorigine est le milieu de la base stereo et dont les directions vent definies par les normales a deux faces adjacentes d'un cube optique (7). 4.Dispositif selon la revendication 3 et qui comprend un mecanisme de translation horizontale (l),pour amener en face du collimateur (2), soit la camera de droite, soit la camera de gauche, un berceau goniometrique (3) d' axe horizontal dont la platine peut 8tre inclinee de +/- 45 fixe sur ce mecanisme, et un mecanisme de rotation (4) d'axe vertical fixe sur ce berceau. 5.Dispositif selon la revendication 4 et qui comprend un support (5) sur lequel vent fixes deux mecanismes de rotation trots axes dont l'un supporte un cube optique (7) utilise pour reperer les axes de rotation et dont l'autre supporte le bane stereo (6) qui porte lui-m8me un cube optique (8). 6.Dispositif selon l'une des revendications 2 a 5 et qui comprend des moyens pour interpolar les niveaux de gris de l' image ainsi obtenue pour retrouver un reseau de points equidistants alignes en ligne et en 283941 1 t colonne correspondent dans chaque image a des angles