Brevet FR2860601A1 — publié le 20050408

PROCEDE DE CORRECTION DE DISTORSION D'UN IMAGEUR A CRISTAUX LIQUIDES Le domaine de l'invention est celui des systèmes de présentation d'images collimatées, et plus précisément celui des viseurs dits Tête Haute 5 utilisés sur aéronefs. D'une façon générale, comme il est indiqué de façon schématique sur la figure 1, un système de visualisation dit Tête Haute collimatée comprend un afficheur 1 et une optique de collimation et de superposition permettant de présenter à un utilisateur 4 l'image 51 fournie par l'afficheur sous la forme d'une image aérienne 52 collimatée à l'infini et en superposition sur le paysage extérieur, cette image provenant de sources d'images non représentées sur la figure. Généralement, l'optique de collimation et de superposition comporte une optique-relais 2 et un combineur optique semi-transparent 3. Ces systèmes sont particulièrement utilisés sur aéronefs militaires. Ces dispositifs sont fondamentaux pour l'aide au pilotage et à la navigation. L'image superposée doit être d'excellente qualité optique pour éviter toute erreur de pilotage et ne pas entraîner de fatigue oculaire importante. Une des principales difficultés techniques pour obtenir une image de bonne qualité est la correction de la distorsion géométrique introduite d'une part par l'optique de collimation et de superposition et d'autre part, et dans une plus faible mesure, par la verrière transparente du cockpit de l'aéronef. Il est démontré, que compte-tenu des contraintes géométriques imposées par l'utilisation du système dans un cockpit et en particulier par le fort hors d'axe du combineur optique, la distorsion géométrique est importante et ne peut être corrigée simplement par des moyens optiques classiques. La figure 2a présente l'effet de la distorsion sur l'image finale 52. On appelle F la fonction de distorsion qui, à un point M(x,y) de l'image bidimensionnelle 51 présentée par l'afficheur fait correspondre un point M'(a,(3), a,(3 représentant les coordonnées angulaires du point M', image de M à travers l'optique collimatée. L'image 51 est issue d'une image électronique 50 provenant soit d'un capteur optronique soit d'un générateur de symboles ou de cartographie. Pour obtenir une image collimatée non déformée 52, la méthode classiquement employée consiste à appliquer à l'image électronique 50 une distorsion inverse de celle de l'optique, cette fonction de distorsion étant notée F 1 comme il est indiqué sur la figure 2b. On obtient alors une image 51 déformée. Après passage à travers l'optique de collimation et de superposition, on obtient l'image 52 non déformée et identique à l'image électronique 50 d'origine. Dans le cas d'afficheurs matriciels composés d'une matrice de pixels, il est également possible de construire l'image 51 en faisant correspondre à chaque pixel de l'image le ou les pixels de l'image électronique 50 correspondant. Dans ce cas, bien entendu, on applique directement la fonction de distorsion sur chaque pixel de l'image pour retrouver le pixel de l'image électronique correspondant, ce qui permet de simplifier les calculs et d'obtenir une image corrigée de meilleure qualité (demande française 02 06721 intitulée "dispositif de correction électronique des distorsions optiques d'une visualisation collimatée obtenue à partir d'un afficheur matriciel"). Le calcul des combinaisons optiques permet de connaître parfaitement la distorsion théorique. Cependant, d'une part, l'optique de collimation et de superposition n'est jamais parfaite et d'autre part, un viseur Tête Haute est placé devant une verrière transparente de cockpit qui introduit une légère distorsion qu'il est nécessaire de compenser. Ainsi, il est impossible de corriger parfaitement la distorsion réelle par le calcul de la distorsion théorique. Il est donc nécessaire de corriger la distorsion de façon personnalisée pour chaque viseur. Actuellement, les afficheurs sont des tubes à rayon cathodique, l'image 51 est obtenue par la modulation et la déflexion d'un pinceau électronique qui balaie la surface électroluminescente de l'afficheur. Dans ce cas, pour corriger la distorsion, on applique sur les organes de déflexion du tube cathodique des coefficients polynomiaux de distorsion. La détermination des coefficients se fait par itérations successives. On projette dans le viseur l'image d'un quadrillage régulier, on 2860601 3 ajuste les coefficients polynomiaux jusqu'à ce que l'image projetée soit également un quadrilatère régulier. Cependant, progressivement, les afficheurs actuels sont remplacés par des afficheurs matriciels, notamment à cristaux liquides qui présentent de nombreux avantages en terme de compacité et de fiabilité. Avec des afficheurs de ce type, la méthode précédente n'est plus applicable, les pixels de la matrice étant pilotés par un adressage matriciel. L'objet de l'invention est de proposer un procédé permettant de réaliser la correction de distorsion sur des viseurs Tête Haute à afficheur 10 matriciel. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de correction de l'aberration de distorsion de l'ensemble optique d'un viseur Tête Haute comportant un afficheur matriciel donnant une image visible à partir d'une image électronique, un ensemble optique comprenant essentiellement une optique-relais et un combineur optique, ledit ensemble optique formant de l'image de l'afficheur une image collimatée destinée à un observateur, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes: É Génération d'une image sur l'afficheur comportant une pluralité de marques encore appelés amers disposées selon un motif géométrique connu au moyen d'un dispositif de génération d'images graphiques; É Estimation de la position angulaire de l'image collimatée de 25 chaque amer au moyen d'un dispositif de mesure optomécanique comportant des moyens vidéo; É Calcul de polynômes d'approximation de la distorsion à partir des mesures précédentes au moyen d'un premier dispositif électronique; É Application des corrections polynomiales à l'image électronique au moyen d'un second dispositif électronique de façon que l'image finale collimatée soit sans distorsions géométriques. Avantageusement, le motif géométrique est un quadrillage régulier 35 couvrant la totalité de la surface de l'image de l'afficheur, le nombre d'amers 2860601 4 est environ cent, la répartition de l'énergie lumineuse de chaque amer est à symétrie radiale et de forme gaussienne, chaque amer couvre au plus cinquante pixels de la matrice et préférentiellement chaque amer couvre un seul pixel. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É La figure 1 représente le schéma de principe d'un viseur tête 1 o Haute. É Les figures 2a et 2b représentent les formes des images électronique, affichée et collimatée avant et après correction de la distorsion. É La figure 3 représente un schéma du matériel nécessaire pour 15 réaliser le procédé de correction selon l'invention. É La figure 4 représente une vue de principe de la répartition des amers selon l'invention. É Les figures 5a, 5b et 5c représentent trois géométries possibles des amers selon l'invention. La figure 3 représente un schéma du matériel nécessaire pour réaliser le procédé de correction selon l'invention. Celui-ci comprend: É Le viseur proprement dit qui peut être installé soit sur un banc de mesure dédié à cette opération de correction de distorsion soit dans l'aéronef de façon à faire une correction qui prenne en compte tous les paramètres de distorsion; É Un dispositif de génération d'images graphiques 7; É Un dispositif vidéo de mesure 6; É Un premier dispositif électronique 8 de calcul des corrections de 30 distorsion couplée au dispositif vidéo de mesure 6. Le procédé de correction de l'aberration de distorsion du viseur Tête Haute comporte les étapes suivantes: Première étape: Génération d'images sur l'afficheur comportant 35 une pluralité de marques encore appelés amers 53 disposées selon un motif 2860601 5 géométrique connu au moyen d'un dispositif de génération d'images graphiques. Ce motif est avantageusement un quadrillage régulier comme indiqué sur la figure 4. Cette disposition peur être modifiée si la distorsion est très importante pour certaines zones de l'image. Le nombre d'amers nécessaire pour assurer une bonne correction de la distorsion dépend de l'importance de celle-ci. II est possible de déterminer ce nombre par itérations successives comme on le verra dans la suite du texte. Un nombre d'amers de l'ordre de la centaine est généralement suffisant pour assurer une bonne correction de la distorsion. Les formes d'amers peuvent être variées. Cependant, il est important de prendre une taille d'amer suffisamment petite, typiquement inférieure à 50 pixels de façon que son image ne soit pas trop déformée par la distorsion. Il est possible d'utiliser des amers à répartition lumineuse constante, par exemple en forme de croix comme indiqué sur la figure 5a. Sur les figures 5a, 5b et 5c, chaque carré du quadrillage représente un pixel. Il est également possible de prendre un amer constitué d'un seul pixel comme indiqué sur la figure 5b. II est également possible d'utiliser un amer à symétrie radiale et dont la répartition d'énergie varie continûment du centre vers les bords, cette répartition pouvant être de forme gaussienne comme illustré en figure 5c où les motifs de chaque pixel représentent les variations de luminance des pixels. Plus le motif est foncé, plus la luminance est forte. On peut alors obtenir une précision de mesure inférieure à la taille du pixel. La génération de tous les amers peut se faire soit dans une seule image, soit dans une série d'images successives comportant chacune au plus quelques amers de façon à éviter toute erreur de reconnaissance. Pour des raisons de clarté, le générateur d'amers a été représenté extérieurement au viseur. II peut également, dans la mesure où la figuration est simple, être intégré au générateur principal de symboles du viseur. Deuxième étape: Estimation de la position angulaire de l'image collimatée de chaque amer au moyen d'un dispositif de mesure optomécanique comportant des moyens vidéo. L'observateur regarde l'image collimatée comportant l'image des 35 amers dans une zone particulière que l'on appelle généralement boîte à oeil 2860601 6 et qui est située au voisinage de la pupille optique du viseur. L'optique des moyens vidéo doit être positionnée au plus près de cette zone pour réaliser des mesures correctes. II est également essentiel que la position angulaire des moyens vidéo par rapport à l'axe optique du viseur soit parfaitement connue. Ce positionnement peut être obtenu par des moyens mécaniques de positionnement et de réglage liés au banc de mesure. Les moyens optiques comportent un objectif optique et un capteur photosensible qui peut être, par exemple, une matrice CCD (acronyme anglosaxon de Charge Coupled Device). L'objectif optique forme l'image collimatée des amers sur le capteur photosensible. Si le champ angulaire de l'objectif optique est supérieur au champ angulaire de l'image collimatée qui fait typiquement de l'ordre de 30 degrés, alors il est possible de capter la totalité de l'image des amers sans déplacer les moyens optiques. Dans le cas contraire, le dispositif de mesure optomécanique doit comporter des moyens de déplacement en rotation des moyens optiques permettant de réaliser une cartographie complète de l'image collimatée. Lesdits moyens de déplacement peuvent être pilotés par des moyens de commande numériques afin que le banc de mesure puisse être complètement informatisé. La résolution du capteur photosensible doit être adaptée à la taille des pixels de la matrice de l'afficheur. Il est, en effet, important que la précision des mesures soit supérieure à la résolution de l'image collimatée de façon à obtenir une précision de correction de la distorsion inférieure à la taille des pixels de la matrice de l'afficheur. Par conséquent, l'image d'un pixel sur le capteur photosensible à travers l'optique du viseur et l'objectif des moyens optiques doit être au moins deux fois supérieure à la résolution du capteur. L'estimation proprement dit de la position angulaire de l'image collimatée de chaque amer se fait en deux sous-étapes successives: É Une première sous-étape de repérage de l'image de l'amer. Cette étape de repérage est réalisée en faisant une convolution des points de l'image avec un filtre adapté pour détecter la présence de l'image de l'amer. II existe deux cas possibles: soit la totalité de l'image des amers se forme sur la surface photosensible du capteur et dans ce cas l'exploration de l'image pour détecter les amers est effectuée informatiquement; soit seule une portion de l'image de l'afficheur se forme 2860601 7 sur la surface photosensible du capteur et dans ce cas, le parcours complet de l'image se fait mécaniquement à partir des moyens de déplacement en rotation. Lorsque la présence de l'amer dans l'image est détectée, la seconde sous-étape peut commencer. É Une seconde sous-étape d'estimation fine de la position de l'image de l'amer. Il est possible d'utiliser, pour cette estimation, une méthode mathématique des moindres carrés permettant d'estimer la position angulaire de l'amer avec une grande précision. Troisième étape: Calcul de polynômes d'approximation de la distorsion à partir des mesures précédentes au moyen du premier dispositif électronique. La deuxième étape permet de connaître la déformation F de l'image angulaire en des points précis repérés par les images des amers. La distorsion introduite par les différentes optiques est une fonction bidimensionnelle continue qui peut être approximée avec une très bonne précision par des fonctions polynomiales. Un premier dispositif de traitement numérique calcule les différentes valeurs des coefficients des polynômes de correction. Quatrième étape: Application des corrections polynomiales à l'image électronique au moyen d'un second dispositif électronique de façon que l'image finale collimatée soit sans distorsions géométriques. Ce dispositif n'est pas représenté sur la figure 3. Il peut être soit intégré au viseur soit dans un calculateur électronique de bord. Pour corriger l'image, il existe deux grands choix possibles: É Connaissant les polynômes permettant de déterminer la fonction de distorsion F, calculer la fonction inverse F I et l'appliquer à l'image électronique pour obtenir une image affichée possédant la fonction de distorsion inverse de celle de l'optique. É Appliquer la fonction de distorsion F sur les pixels de l'image affichée pour calculer les coordonnées des pixels de l'image électronique correspondants. Ces coordonnées n'étant généralement pas entières, la valeur photométrique appliquée à chaque pixel de l'image est estimée en 2860601 8 fonction des valeurs photométriques des pixels voisins du pixel calculé de l'image électronique. Il est possible d'utiliser l'ensemble des étapes du procédé de 5 correction pour optimiser le nombre d'amers à afficher de façon à limiter les calculs. On procède alors de la façon suivante sur un premier viseur Tête Haute servant de référence: É On réalise les trois premières étapes du procédé avec un premier taux d'amers assez faible. On obtient alors des 10 premiers coefficients de polynômes de correction. É On recommence plusieurs fois l'opération avec des nombres d'amers de plus en plus importants. On obtient de nouveau pour chaque nombre d'amers des coefficients de polynômes de correction. É On compare les différents coefficients de correction obtenus pour chaque nombre d'amers. On constate qu'à partir d'un certain nombre d'amers, on n'observe plus de variations sensibles desdits coefficients. Le nombre optimal d'amers permettant de minimiser les calculs est celui à partir duquel les coefficients de correction restent sensiblement constants. Une fois le nombre d'amers optimal déterminé, il est appliqué dans le procédé de correction de distorsion de viseurs Tête Haute sensiblement équivalents au viseur Tête Haute servant de référence. La correction électronique peut être implémentée dans un composant électronique comportant des matrices de portes logiques (ET ou OU). Ces composants peuvent être de type non programmables comme, par exemple, les ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ou programmables comme, par exemple, les FPGA (Field Programmable Gate Array) ou EPLD (Erasable Programmable Logic Device). Ces composants électroniques sont largement utilisés en électronique professionnelle et en particulier pour les applications aéronautiques. 2860601 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de correction de l'aberration de distorsion d'un ensemble optique (2, 3) d'un viseur Tête Haute comportant un afficheur matriciel (1) donnant une image visible (51) à partir d'une image électronique (50), l'ensemble optique comprenant essentiellement une optique-relais (2) et un combineur optique (3), ledit ensemble optique (2, 3) formant de l'image de l'afficheur une image collimatée (52) destinée à un observateur (4), caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes suivantes: É Génération d' images sur l'afficheur comportant une pluralité de marques encore appelés amers (53) disposées selon un motif géométrique connu au moyen d'un dispositif de génération d'images graphiques (7); É Estimation de la position angulaire de l'image collimatée de chaque amer au moyen d'un dispositif de mesure optomécanique (6) comportant des moyens vidéo; É Calcul de polynômes d'approximation de la distorsion à partir des mesures précédentes au moyen d'un premier dispositif électronique (8) ; É Application des corrections polynomiales à l'image électronique au moyen d'un second dispositif électronique de façon que l'image finale collimatée soit sans distorsions géométriques. 2. Procédé de correction selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque image affichée comporte la totalité des amers (53). 3. Procédé de correction selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque image affichée comporte une partie de la totalité des amers (53). 20 25 2860601 10 4. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le motif géométrique est un quadrillage régulier couvrant la totalité de la surface de l'image de l'afficheur. 5. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre d'amers (53) est déterminé en réalisant les étapes préliminaires suivantes sur un premier viseur Tête Haute dit de référence: É Réalisant des trois premières étapes du procédé selon la 10 revendication 1 avec plusieurs nombres d'amers; É Détermination du nombre d'amers nécessaire au-dessus duquel les coefficients des polynômes sont sensiblement constants, ce nombre d'amers étant ensuite appliqué dans la première étape du procédé de correction de distorsion de viseurs Tête Haute sensiblement équivalents au premier viseur Tête Haute dit de référence 6. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre d'amers (53) est environ 100. 7. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la répartition de l'énergie lumineuse de chaque amer (53) est à symétrie radiale et de forme gaussienne. 8. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'afficheur (1) est une matrice à cristaux liquides composée de pixels élémentaires. 9. Procédé de correction selon la revendication 8, caractérisé en 30 ce que chaque amer (53) couvre au plus cinquante pixels de la matrice. 10. Procédé de correction selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque amer (53) couvre un seul pixel. 2860601 11 11. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résolution angulaire des moyens vidéo du dispositif de mesure opto-mécanique (6) est inférieure à la taille de l'image collimatée de l'amer. 12. Procédé de correction selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ optique des moyens vidéo du dispositif de mesure opto-mécanique (6) est au moins égal au champ du viseur Tête Haute. 13. Procédé de correction selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif de mesure opto-mécanique (6) comporte un ensemble mécanique permettant d'orienter angulairement les moyens vidéo d'un angle connu.