Brevet FR2920869A1 — publié le 20090313

Procédé d'augmentation de résolution d'images multi-spectrales. La présente invention concerne un procédé d'acquisition d'images permettant d'améliorer la résolution d'images acquises à partir d'un imageur 5 optique de type � push-broom � monté sur un porteur tel qu'un satellite d'observation de la Terre ou une plate-forme aéroportée. L'imagerie optique spatiale � push-broom � consiste à exploiter le défilement des scènes observées dans le champ de vue du satellite. En effet, les satellites d'observation positionnés sur des orbites basses � voient � la 10 Terre avec une vitesse de défilement du sol de l'ordre de 5 à 10 kilomètres par seconde. Ces satellites disposent de barrettes de détecteurs ou éventuellement de matrices de détecteurs qui vont acquérir des pixels pendant une certaine durée d'intégration, typiquement de l'ordre de quelques centaines ou milliers de microsecondes. 15 Classiquement, les imageurs optiques spatiaux � push-broom �, tels que ceux utilisés sur SPOT, PLEIADES ou IKONOS par exemple, sont pourvus de détecteurs sensibles à des bandes spectrales différentes, généralement une voie panchromatique intégrant l'ensemble du spectre 20 visible et plusieurs voies multi-spectrales décomposant plus finement le spectre de la lumière que la voie panchromatique. L'idée générale poursuivie lors de la conception de ces instruments est d'améliorer la résolution des différentes voies, mufti- 25 spectrales et panchromatique, sans augmenter de manière significative le volume de données à transmettre ou encore la complexité du plan focal et des sous-systèmes de détection. C'est dans cette démarche que s'inscrit le présent brevet. 30 Généralement, pour des raisons de qualité d'image radiométrique relative au rapport signal sur bruit, les voies multi-spectrales sont échantillonnées suivant un pas plus important que la voie panchromatique, typiquement de deux à quatre fois plus important. La solution la plus courante consiste à co-enregistrer les différentes voies multi-spectrales de façon à minimiser l'erreur de superposabilité géométrique entre les différentes images multi-spectrales. Cependant, aucune amélioration de la résolution intrinsèque des détecteurs multi-spectraux n'est obtenue de cette façon. Par ailleurs, le brevet français FR 2737375 propose l'utilisation de procédés dits � SUPERMODE � ou � HIPERMODE � dont le principe est de décaler des barrettes de détecteurs panchromatiques, typiquement d'une moitié de largeur de détecteur, puis d'entrelacer les images brutes acquises io à partir de ces détecteurs afin de réaliser une image finale, produit de ces deux images brutes, présentant une résolution supérieure d'un facteur racine de deux. Cependant, cette méthode ne concerne que des images panchromatiques et non des images acquises par des détecteurs mufti- 15 spectraux de sensibilités spectrales différentes. De plus, selon ces procédés, l'augmentation de la résolution des images acquises est obtenue au prix d'une augmentation du volume de données à transmettre au sol, d'un facteur deux pour le � SUPERMODE �, et d'un facteur quatre pour I� 30 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'acquisition d'image permettant d'obtenir une image améliorée en résolution au moyen d'un imageur optique � push-broom �, observant une scène et se déplaçant dans une direction de déplacement, et comportant un ensemble de barrettes 35 de détecteurs linéaires constitué d'au moins deux barrettes de détecteurs de même pas, lesdites barrettes de détecteurs étant décalées d'une fraction de pas élémentaire, caractérisé en ce que l'ensemble de barrettes de détecteurs comprend au moins une première barrette de détecteurs sensible à une première bande spectrale et une deuxième barrette de détecteurs sensible à une deuxième bande spectrale, les première et deuxième bandes spectrales étant différentes, ledit ensemble de détecteurs permettant par conséquent d'obtenir au moins deux images brutes de la même scène dans lesdites première et deuxième bandes spectrales, lesdites images brutes présentant un pas d'échantillonnage brut, et étant décalées spatialement et/ou temporellement d'une fraction de pas d'échantillonnage brut en raison du décalage d'une fraction de pas élémentaire de la deuxième barrette de détecteurs par rapport à la première, et en ce que l'on fusionne lesdites images brutes de manière à obtenir l'image améliorée en résolution, présentant un pas d'échantillonnage amélioré inférieur au pas d'échantillonnage brut. Avantageusement, on applique auxdites images brutes fusionnées un post-traitement s'apparentant pour une partie à de la super-résolution de manière à obtenir l'image améliorée en résolution. Avantageusement, l'ensemble de barrettes de détecteurs est constitué d'au moins un ensemble de détecteurs multi-spectraux comportant au moins deux barrettes de détecteurs multi-spectraux permettant l'acquisition d'images brutes multi-spectrales. Avantageusement, l'ensemble de barrettes de détecteurs est constitué d'au moins un ensemble de détecteurs multi-spectraux comportant 25 quatre barrettes de détecteurs multi-spectraux permettant l'acquisition d'images brutes multi-spectrales. Avantageusement, lesdits détecteurs multi-spectraux sont de forme carrée et présentent un pas des détecteurs multi-spectraux. Avantageusement, le procédé permet d'obtenir des images 30 améliorées pseudo-panchromatiques à partir des images brutes acquises par les détecteurs multi-spectraux. Avantageusement, l'ensemble de barrettes de détecteurs étant constitué de deux ensembles distincts de détecteurs multi-spectraux, et 35 l'imageur optique étant situé à une altitude d'observation de la zone observée et présentant une base d'observation correspondant à la distance entre deux positions d'observation de la même scène observée par ledit imageur optique, alors la distance séparant les deux ensembles de détecteurs multi-spectraux est suffisamment grande, correspondant à un facteur B/H de l'ordre de 0,05, où B est la base d'observation de l'imageur optique, et H l'altitude d'observation de l'imageur optique, de sorte que l'on peut obtenir un couple d'images stéréoscopiques pseudo-panchromatiques, composé de deux images améliorées pseudo-panchromatiques issues du traitement des images brutes multi-spectrales, acquises par les détecteurs multi-spectraux des deux ensembles de détecteurs multi-spectraux, et entrelacées. Avantageusement, l'imageur optique comporte en outre au moins une barrette de détecteurs panchromatiques linéaire, séparée de l'ensemble de barrettes de détecteurs, et permettant l'acquisition d'images panchromatiques. Avantageusement, l'ensemble de détecteurs multi-spectraux, permettant d'obtenir des images améliorées pseudo-panchromatiques, peut servir de redondance de la barrette de détecteurs panchromatiques. Avantageusement, lesdits détecteurs panchromatiques sont de forme carrée et présentent un pas des détecteurs panchromatiques. Avantageusement, le pas des détecteurs panchromatiques est quatre fois plus petit que pas des détecteurs multi-spectraux. Avantageusement, le pas des détecteurs panchromatiques est deux fois plus petit que pas des détecteurs multi-spectraux. Avantageusement, le procédé permet de générer des images améliorées multi-spectrales présentant une résolution proche de celle des images panchromatiques en injectant des informations haute résolution issues des images panchromatiques dans les images brutes mufti- spectrales. Avantageusement, l'imageur optique étant situé à une altitude d'observation de la zone observée et présentant une base d'observation correspondant à la distance entre deux positions d'observation de la même scène observée par ledit imageur optique, alors la distance séparant les barrettes de détecteurs multi-spectraux de la barrette de détecteurs panchromatiques est suffisamment grande, correspondant à un facteur B/H de l'ordre de 0,05, où B est la base d'observation de l'imageur optique, et H l'altitude d'observation de l'imageur optique, de sorte que l'on peut obtenir un couple d'images stéréoscopiques panchromatiques, composé d'une image panchromatique acquise par les détecteurs panchromatiques et d'une image améliorée pseudo-panchromatique issue du traitement des images brutes multi-spectrales entrelacées. Avantageusement, on applique au couple d'images stéréoscopiques un algorithme de mesure de parallaxes par corrélation, de 10 manière à déterminer un modèle numérique d'élévation correspondant à la zone observée. Avantageusement, lesdits détecteurs sont de type CCD ou CMOS, avec ou sans TDI (pour Time Delay Integration en anglais). Avantageusement, l'ensemble de détecteurs fait un angle 15 quelconque compris entre 0° et 90°, par exemple 45°, avec la direction de déplacement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 20 à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1 : le schéma d'un plan focal classique, comprenant quatre barrettes de détecteurs multi-spectraux et une barrette de détecteurs panchromatiques dans un imageur optique de l'état de l'art pour lequel il y a un rapport quatre entre la résolution de la voie panchromatique et celle des voies multispectrales ; • la figure 2 : l'illustration schématique de l'agencement des voies multi-spectrales dans un exemple d'imageur optique permettant d'exploiter le procédé d'acquisition d'images selon l'invention ; • la figure 3: un chronogramme d'échantillonnage simplifié représentant schématiquement l'échantillonnage temporelle des différentes voies multi-spectrales dans un exemple d'imageur optique permettant d'exploiter le procédé d'acquisition d'images selon l'invention ; 25 30 35 • la figure 4 : le schéma de la grille d'échantillonnage obtenue après entrelacement spatial et temporelle des différentes voies multi-spectrales dans un exemple d'imageur optique permettant d'exploiter le procédé d'acquisition d'images selon l'invention. La figure 1 présente un schéma représentant différentes barrettes de détecteurs telles qu'on peut en trouver dans des imageurs optiques de l'état de l'art. L'imageur optique ici représenté comporte donc une barrette de détecteurs panchromatiques PAN et un certain nombre de barrettes de détecteurs multi-spectraux XS1, XS2, XS3 et XS4. Comme cela a été expliqué précédemment, pour des raisons de rapport signal sur bruit, le pas d'échantillonnage des voies multi-spectrales XS1 à XS4, SXS est quatre fois plus grand que le pas d'échantillonnage de la voie panchromatique PAN, SPAN Par conséquent, du point de vue de l'échantillonnage temporel, le temps d'échantillonnage des voies multi-spectrales XS1 à XS4 est aussi quatre fois plus grand que le temps d'échantillonnage de la voie panchromatique PAN. En résumé et en guise d'exemple, les images multi-spectrales réalisées présentent une résolution directement liée à la largeur des détecteurs multi-spectraux XS1 à XS4, quatre fois moins bonne que la résolution des images panchromatiques directement liée à la largeur des détecteurs panchromatiques PAN. Ainsi, l'acquisition d'images sur la voie panchromatique PAN se fait suivant un pas de p mètres tandis que l'acquisition d'images sur les voies multi-spectrales XS1 à XS4 se fait suivant un pas de 4p mètres. Les figures 2, 3 et 4, décrites ci-après, ne constituent qu'un exemple de configuration parmi d'autres permettant l'application du procédé d'acquisition d'images selon l'invention, appelé procédé Super-XS. Le principe décrit dans le présent brevet s'applique de la même façon à des imageurs optiques agencés de façon différente en termes de nombre de barrettes, de disposition de ces barrettes, de rapport entre la taille des détecteurs multi-spectraux et celle des détecteurs panchromatiques...etc. La figure 2 présente donc un exemple de disposition des barrettes de détecteurs d'un imageur optique permettant la mise en oeuvre du procédé Super-XS. La taille des détecteurs multi-spectraux SXS1, SXS2, SXS3 et SXS4 est identique à celle des voies multi-spectrales XS1 à XS4 de la figure 1. Dans cette configuration, la taille des détecteurs multi-spectraux SXS1 à SXS4 est égale à celle des détecteurs multi-spectraux XS1 à XS4 de 10 la figure 1, et vaut Sxs=4 SPAN• De ce fait, le temps d'échantillonnage est également identique au temps d'échantillonnage des voies multi-spectrales XS1 à XS4 dans l'imageur optique de la figure 1. De plus, les voies multi-spectrales SXS1 et SXS2 d'une part et 15 SXS3 et SXS4 d'autre part sont accolées dans le sens du défilement DIR et décalés de axs/2 dans le sens des barrettes BAR. Ces deux groupes de voies multi-spectrales SXS1-SXS2 et SXS3-SXS4 sont co-enregistrés dans le sens des barrettes BAR et sont espacés d'une distance A dans le sens du défilement DIR. Esxs correspond à la fraction de pixel du reste de la division 20 entière de la distance A par la taille des détecteurs des voies multi-spectrales 0 où l'opérateur L J correspond à la partie entière. SY.S Enfin, sur le chronogramme d'échantillonnage de la figure 3, on vérifie que les voies multi-spectrales de chaque groupe SXS1-SXS2 et 25 SXS3-SXS4 sont temporellement co-enregistrées deux à deux et que les deux groupes sont décalés temporellement du temps Tsxs(1/2-Esxs) où Tsxs correspond au temps d'échantillonnage des voies multi-spectrales. On constate également que ce temps d'échantillonnage Tsxs vaut quatre fois celui de la voie panchromatique TPAN. 30 Par conséquent, en projection au sol, aux effets de micro-vibrations et d'irrégularité des positions des détecteurs, et aux erreurs de parallaxe près, cet agencement spatial des détecteurs, décrit en figure 2, couplé au chronogramme d'échantillonnage des différentes voies multi- A 8xs. On a esxs = SX.S spectrales de la figure 3 permet d'obtenir la grille d'échantillonnage correspondant aux différents photo-centres des détecteurs multi-spectraux et représentée en figure 4. Le pas de la grille d'échantillonnage des images multi-spectrales ainsi entrelacées est donc amélioré. Si la résolution de la voie panchromatique RPAN est égale à p mètres, et si la résolution des images multi- spectrales brutes Rxs est égale à 4p mètres, l'agencement des photo- centres des détecteurs SXS1 à SXS4 entrelacées comme présenté par la figure 4, permet théoriquement d'atteindre un échantillonnage carré de pas 1 o Rsxs = 2p mètres. Plus précisément, si la sensibilité spectrale de chaque voie multispectrale SXS1 à SXS4 correspondait exactement à celle de la voie panchromatique PAN, l'application d'un algorithme de super-résolution à ces quatre images permettrait de générer une image panchromatique dont le pas 15 effectif serait de 2p mètres. Dans le cas de l'application du procédé Super-XS, objet de la présente invention, les sensibilités spectrales des voies SXS1 à SXS4 ne sont pas identiques à celles de la voie panchromatique PAN. L'application d'un traitement de super- résolution dans ce cas n'est donc pas stricto sensu 20 applicable. Cependant, en pratique, en s'appuyant sur la ressemblance locale des différentes images multi-spectrales (en effet, peu d'éléments du paysage présentent des couleurs pures), son application reste � en moyenne � possible et permet de créer un produit d'images nettement mieux résolu que la résolution brute des images multi-spectrale de 4p mètres, dont 25 la résolution moyenne est de l'ordre de 2p mètres De plus, si la sensibilité spectrale de chacune des voies multispectrales SXS1 à SXS4 est incluse ou identique à la sensibilité spectrale de la voie panchromatique PAN, il est possible de créer une voie pseudopanchromatique à partir d'une combinaison, par exemple linéaire, des 30 images multi-spectrales. Dans le cas d'un système comportant une voie panchromatique et plusieurs voies multi-spectrales, l'augmentation de résolution des images multi-spectrales par ce procédé peut être avantageusement utilisée pour 35 améliorer la qualité des produits d'images panchromatiques et multi- spectrales fusionnées en diminuant l'écart de résolution entre les images brutes panchromatiques et multi-spectrales. Par ailleurs, si les détecteurs multi-spectraux SXS1 à SXS4 sont suffisamment éloignés des détecteurs panchromatiques PAN, c'est-à-dire si la distance D est suffisante, correspondant à un facteur de B/H de l'ordre de 0.05, où B est la base d'observation du satellite, c'est-à-dire la distance entre les deux positions du satellite observant la même zone, et H est l'altitude du satellite, on peut obtenir un couple d'images stéréoscopiques panchromatiques suivant des résolutions plus proches d'un facteur deux par rapport aux images brutes, composé de l'image panchromatique et de l'image pseudo-panchromatique issue du traitement des images multispectrales entrelacées. Ce couple d'images peut alors être utilisé en entrée d'un algorithme de mesure de parallaxes par corrélation afin de déterminer un modèle numérique d'élévation correspondant à la zone imagée. De la même façon, il est possible de monter sur un imageur optique deux ensembles distincts de détecteurs multi-spectraux, le premier correspondant aux détecteurs SXS1 à SXS4 de la figure 2, le second, identique, venant se substituer à la barrette panchromatique PAN. On peut alors obtenir, par application du procédé � Super-XS �, des couples d'images stéréoscopiques pseudo-panchromatiques selon le même principe que celui décrit dans le paragraphe précédent : les deux ensembles de détecteurs multi-spectraux doivent être suffisamment éloignés, de sorte que le facteur B/H soit de l'ordre de 0.05, et les couples d'images améliorées obtenus permettent alors de déterminer un modèle numérique d'élévation correspondant à la zone imagée. Enfin, pour revenir au cas où l'imageur optique comprend une barrette de détecteurs panchromatiques PAN et un ensemble de barrettes de détecteurs multi-spectraux SXS1 à SXS4, ce procédé peut éventuellement aussi permettre d'assurer la redondance légèrement dégradée en résolution de la voie panchromatique, voire dans certains cas de supprimer cette dernière du plan focal dans un souci de diminution du coût du système imageur, si la résolution SXS est proche des besoins en résolution de la voie panchromatique. En résumé, l'invention a pour principal avantage de permettre l'amélioration de la résolution d'images obtenues à partir de détecteurs multispectraux. Pour ce faire, le présent brevet propose d'entrelacer spatialement et temporellement l'échantillonnage des voies multi-spectrales puis d'appliquer aux images entrelacées ainsi produites un algorithme s'apparentant pour une partie à de la super-résolution. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition d'image permettant d'obtenir une image améliorée en résolution au moyen d'un imageur optique � pushbroom �, observant une scène et se déplaçant dans une direction de déplacement (DIR), et comportant un ensemble de barrettes de détecteurs linéaires (SXS1 à SXS4) constitué d'au moins deux barrettes de détecteurs (SXS1 à SXS4) de même pas, lesdites barrettes de détecteurs (SXS1 à SXS4) étant décalées d'une fraction de pas élémentaire, caractérisé en ce que l'ensemble de barrettes de détecteurs (SXS1 à SXS4) comprend au moins une première barrette de détecteurs (SXS1) sensible à une première bande spectrale et une deuxième barrette de détecteurs (SXS2) sensible à une deuxième bande spectrale, les première et deuxième bandes spectrales étant différentes, ledit ensemble de détecteurs (SXS1 à SXS4) permettant par conséquent d'obtenir au moins deux images brutes de la même scène dans lesdites première et deuxième bandes spectrales, lesdites images brutes présentant un pas d'échantillonnage brut (Rxs), et étant décalées spatialement et/ou temporellement d'une fraction de pas d'échantillonnage brut (Rxs) en raison du décalage d'une fraction de pas élémentaire de la deuxième barrette de détecteurs (SXS2 à SXS4) par rapport à la première (SXS1), et en ce que l'on fusionne lesdites images brutes de manière à obtenir l'image améliorée en résolution, présentant un pas d'échantillonnage amélioré (Rsxs) inférieur au pas d'échantillonnage brut (Rxs). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on l'applique auxdites images brutes fusionnées un post-traitement s'apparentant pour une partie à de la super-résolution de manière à obtenir l'image améliorée en résolution. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'ensemble de barrettes de détecteurs est constitué d'au moins un ensemble de détecteurs multi-spectraux comportant au30moins deux barrettes de détecteurs multi-spectraux (SXS1 à SXS4) permettant l'acquisition d'images brutes multi-spectrales. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de barrettes de détecteurs est constitué d'au moins un ensemble de détecteurs multi-spectraux comportant quatre barrettes de détecteurs multi-spectraux (SXS1 à SXS4) permettant l'acquisition d'images brutes multi-spectrales. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que lesdits détecteurs multi-spectraux (SXS1 à SXS4) sont de forme carrée et présentent un pas des détecteurs multi-spectraux (bsxs)• 15 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il permet d'obtenir des images améliorées pseudopanchromatiques à partir des images brutes acquises par les détecteurs multi-spectraux (SXS1 à SXS4). 20 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, l'ensemble de barrettes de détecteurs étant constitué de deux ensembles distincts de détecteurs multi-spectraux, et l'imageur optique étant situé à une altitude d'observation de la zone observée et présentant une base d'observation correspondant à la distance entre deux 25 positions d'observation de la même scène observée par ledit imageur optique, caractérisé en ce que la distance séparant les deux ensembles de détecteurs multi-spectraux est suffisamment grande, correspondant à un facteur B/H de l'ordre de 0,05, où B est la base d'observation de l'imageur optique, et H l'altitude d'observation de 30 l'imageur optique, de sorte que l'on peut obtenir un couple d'images stéréoscopiques pseudo-panchromatiques, composé de deux images améliorées pseudo-panchromatiques issues du traitement des images brutes multi-spectrales, acquises par les détecteurs multispectraux des deux ensembles de détecteurs multi-spectraux, et 35 entrelacées conformément au procédé selon la revendication 6. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'imageur optique comporte en outre au moins une barrette de détecteurs panchromatiques (PAN) linéaire, séparée de l'ensemble de barrettes de détecteurs (SXS1 à SXS4), et permettant l'acquisition d'images panchromatiques. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'ensemble de détecteurs multi-spectraux (SXS1 à SXS4), permettant d'obtenir des images améliorées pseudo-panchromatiques conformément au procédé selon la revendication 6, peut servir de redondance de la barrette de détecteurs panchromatiques (PAN). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que lesdits détecteurs panchromatiques (PAN) sont de forme carrée et présentent un pas des détecteurs panchromatiques (ÔPAN)• 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le pas des détecteurs panchromatiques (ÔPAN) est quatre fois plus petit que pas des détecteurs multi-spectraux (bxs)• 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le pas des détecteurs panchromatiques (6PAN) est deux fois plus petit que pas des détecteurs multi-spectraux (bxs)• 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il permet de générer des images améliorées multi-spectrales présentant une résolution proche de celle des images panchromatiques en injectant des informations haute résolution issues des images panchromatiques dans les images brutes multi-spectrales. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, l'imageur optique étant situé à une altitude d'observation de la zone observée et présentant une base d'observation correspondant à la distanceentre deux positions d'observation de la même scène observée par ledit imageur optique, caractérisé en ce que la distance (D) séparant les barrettes de détecteurs multi-spectraux (SXS1 à SXS4) de la barrette de détecteurs panchromatiques (PAN) est suffisamment grande, correspondant à un facteur B/H de l'ordre de 0,05, où B est la base d'observation de l'imageur optique, et H l'altitude d'observation de l'imageur optique, de sorte que l'on peut obtenir un couple d'images stéréoscopiques panchromatiques, composé d'une image panchromatique acquise par les détecteurs panchromatiques (PAN) et d'une image améliorée pseudo-panchromatique issue du traitement des images brutes multi-spectrales, entrelacées conformément au procédé selon la revendication 6. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 14, caractérisé en ce qu'on applique au couple d'images stéréoscopiques un algorithme de mesure de parallaxes par corrélation, de manière à déterminer un modèle numérique d'élévation correspondant à la zone observée. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que lesdits détecteurs (PAN, SXS1 à SXS4) sont de type CCD ou CMOS, avec ou sans TDI (pour Time Delay Integration en anglais). 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'ensemble de détecteurs (PAN, SXS1 à SXS4) fait un angle quelconque compris entre 0° et 90°, par exemple 45°, avec la direction de déplacement (DIR).30