Brevet FR3019377A1 — publié le 20151002

Appareil de prise de vues numériques à plage dynamique renforcée par un circuit non-linéaire La présente proposition, qui a pour objet d'augmenter sensiblement la dynamique de la prise de vues photographique, surtout dans les parties sombres de l'image, présente comme 5 avantages, d'une part de préserver un convertisseur analogique numérique d'un nombre réduit de bits, par exemple huit, et d'autre part de préserver l'unicité de la prise de vues, ce qui permet de photographier ainsi des sujets en mouvement. Elle ne présente comme inconvénient qu'une légère complication du circuit par l'introduction d'un nombre très minime de composants. Ce perfectionnement peut aussi bien s'appliquer aux appareils 10 photo numériques et à leur fonction vidéo, qu'à la fonction « photo » de divers appareils comme téléphones portables ou tablettes, à fonctions multiples (agenda, GPS, console de jeux, accès Internet, etc.), ainsi qu'aux caméras numériques pour le cinéma professionnel. Dans les appareils simples actuels, les données venant de la matrice photosensible sont codées sur huit « bits » seulement, ce qui fait que seuls les éléments de l'image dont la 15 luminosité est supérieure à environ 0,4% du maximum sont distingués de l'obscurité totale, et seuls ceux qui dépassent 0,8% sont distingués des précédents. Seulement dix états différents sur 256 sont réservés aux zones ne recevant pas plus que 4% de l'intensité maximale de la lumière, par exemple tout ce qui se trouve du côté à l'ombre dans une rue. Au contraire, la perception, par le cerveau humain, de l'échelle des luminosités de la 20 scène observée est habituellement considérée (loi dite de Weber-Fechner) comme suivant le logarithme de la luminosité des éléments de l'image : on distingue aussi bien un élément de l'image de luminosité 10 d'un élément voisin de luminosité 11 qu'un élément de luminosité 10.000 d'un élément voisin de luminosité 11.000 ; en pratique il est courant qu'une échelle aussi large de luminosité se trouve dans la scène représentée. C'est donc à 25 juste titre qu'on reproche à la photographie numérique de manquer de « dynamique ». Il y aurait donc intérêt à obtenir un codage de l'image qui respecte au mieux cette variation. Par exemple avec un convertisseur analogique-numérique de seulement huit bits (256 états) dans le codage, si on savait numériser ainsi ce signal par des incréments réguliers de 4% chacun, on arriverait à représenter une échelle de luminosité de l'unité à plus de vingt mille, avec plus de cent états différents pour représenter ce qui est inférieur à 0,4% du maximum et qui jusqu'ici n'était pas distingué du noir. On pourrait aussi, en remplaçant le dispositif linéaire habituel de traitement du signal par un dispositif non-linéaire répondant proportionnellement à la racine carrée du signal, représenter une échelle de luminosité de l'unité à plus de soixante mille, avec seize états différents pour représenter ce qui est inférieur à 0,4% du maximum et qui jusqu'ici n'était pas distingué du noir. Dans l'état actuel de la technique, un appareil photo numérique est normalement 10 constitué, en plus de ses composants mécaniques et optiques et de certains autres circuits électroniques servant à divers réglages, au moins des éléments actifs suivants : - une matrice de capteurs, photodiodes ou phototransistors assemblés en un réseau de cellules « CCD », abréviation de « charge - coupled devices » (dispositifs à transfert de charge) ou « C - MOS », abréviation de « complementary metal oxide semiconductor », 15 qui délivre un signal analogique séquentiel composé d'échantillons qui représentent respectivement les quantités de lumière reçues sur chacune des cellules de la matrice ; - éventuellement, un ou plusieurs étages d'amplification entre la sortie de la matrice de capteurs et l'entrée du convertisseur défini ci-dessous ; - un ou plusieurs convertisseurs analogique - numérique, dont le rôle est de convertir 20 les signaux analogiques délivrés par les cellules de cette matrice de capteurs en données numériques, habituellement codées sur huit à douze « bits » ou éléments d'information, ces données étant ensuite dirigées, avec ou sans traitement numérique de ces données, vers la carte mémoire de l'appareil. Le signal analogique issu de la matrice photosensible, donc le nombre qui représente la 25 luminosité de chaque élément de l'image, est ainsi proportionnel à l'intensité de la lumière reçue sur chaque cellule de celle-ci. Au contraire, dans la plupart des écrans d'affichage des images, la luminosité de chaque « pixel » est proportionnelle au carré du signal détecté par le capteur, puisque l'amplitude de l'onde optique est proportionnelle à ce signal. D'autres composants existent dans l'appareil, mais n'interviennent pas dans le processus que le présent projet se propose d'améliorer. Divers procédés avaient déjà été proposés pour échapper à ce défaut de dynamique : L'un d'eux consiste à augmenter le nombre de « bits » sur lesquels est codé le signal 5 analogique, bien entendu au détriment du prix de revient du convertisseur analogique numérique, ce qui grève celui de l'appareil, et au détriment de la fréquence maximale des images en vidéo. On utilise par exemple les signaux « RAW » qui, dans les appareils de « haut de gamme » sont codés sur 10 à 14 bits, en extrayant ensuite de ces signaux, par divers artifices logiciels, des signaux codés sur huit bits seulement mais qui représentent 10 plus fidèlement les larges dynamiques de luminosité. Une autre gamme de procédés est regroupée sous l'appellation « HDR », abréviation de « high dynamic range », consistant à prendre « en rafale » plusieurs photographies du même sujet avec des conditions différentes d'exposition, et à les combiner ensuite par divers artifices logiciels. La contrainte est alors que ces prises de vues ne peuvent être que 15 successives, donc incompatibles avec les sujets en mouvement. Un autre procédé, utilisé dans des appareils récents, consiste à multiplier le nombre d'éléments du capteur, avec pour chaque « sous-pixel » des éléments sensibles de diverses dimensions, donc de diverses sensibilités, laissant à un traitement logiciel ultérieur le soin de calculer le signal par interpolation entre ceux captés par chacun de ces éléments, en 20 fonction de l'amplitude de celui-ci : ceci oblige à fabriquer un capteur plus coûteux. Bien entendu, malgré le manque de dynamique de la prise de vues, on arrive encore un peu à « déboucher les noirs » avec certaines fonctions spécifiques, généralement appelées « courbes » dans les logiciels de traitement d'image. Mais du fait du codage à huit bits seulement de la plupart des systèmes de compression des fichiers d'images, cette 25 possibilité est très limitée : tout ce qui est moins lumineux que 0,4% du maximum reste complètement noir. Le principe de l'invention est le suivant :le signal analogique délivré par la matrice de cellules photosensibles, en général acheminé par une structure de type « CCD », était dans l'art antérieur directement introduit, après une éventuelle amplification, dans un convertisseur analogique - numérique ; au lieu de cela, il est proposé de faire transiter ce signal par un circuit non - linéaire, de sorte que le signal à la sortie du convertisseur croisse moins vite que la tension donnée par le capteur, cet élément non-linéaire pouvant éventuellement être incorporé au convertisseur analogique - numérique. Plusieurs types de composants électroniques non - linéaires sont connus, en particulier la diode « en direct » et le transistor, bipolaire ou à effet de champ, dans certaines zones de leurs caractéristiques, sous plus basse tension. Une combinaison de tels éléments, éventuellement avec des résistances qui sont des composants linéaires, permet une grande variété de fonctions de correspondance entre la tension à l'entrée et la tension à la sortie. Aux bornes d'une diode branchée « en direct », le pôle positif étant relié à la zone de semi-conducteur de type P et la zone de type N au pôle négatif, le courant suit, dans une large gamme de tensions et à une constante près, une fonction à peu près exponentielle de la tension, ou en d'autres termes la tension entre ses bornes suit à peu près une fonction de type logarithmique de l'intensité du courant qui parcourt la diode. D'autre part, entre les bornes dites « source » et « drain » d'un transistor à effet de champ, le courant suit pratiquement, dans une assez large plage de variation pour des tensions assez basses, une fonction proche de la racine carrée de la tension entre la source et le drain, si l'électrode de commande, généralement appelée « grille » ou comme en anglais « gate », reste à tension constante ; cette fonction dépend aussi de la tension entre la source et la grille ; de même dans un transistor bipolaire, tant que la tension entre l'émetteur et le collecteur reste assez basse, et à courant constant sur la base, le courant sur le collecteur croît aussi moins vite que la tension. Voici un premier exemple de réalisation : si on introduit, comme le montre la figure 1, entre la sortie de la matrice de cellules photosensibles (1) et l'entrée du convertisseur analogique - numérique (2), un circuit composé d'une diode (3) en série avec une résistance (4) la tension à l'entrée du convertisseur sera, du moins dans une certaine plage de variation de cette tension, une fonction à peu près logarithmique de la tension à la sortie de la matrice, donc de la quantité de lumière reçue sur la cellule photosensible. Ce circuit non linéaire sera de préférence placé en aval d'un ou plusieurs étages d'amplification (5), de sorte que le signal reste bien distingué du bruit, surtout pour les faibles intensités lumineuses, s'il est atténué par ce circuit non-linéaire. Dans cette figure 1 comme dans les autres, on a supposé que le signal reçu de la matrice photosensible et soumis à cette transformation non-linéaire après une première amplification, est positif, c'est à dire croît dans le même sens que le signal entrant. Dans le cas où il serait négatif, la diode serait simplement branchée dans l'autre sens, ou un autre étage d'amplification, inversant le signal, pourrait être inséré. Au lieu d'une diode, on peut introduire, entre la sortie de la matrice de cellules photosensibles et l'entrée du convertisseur analogique - numérique, un transistor, à effet de champ ou bipolaire, en série avec une résistance : alors la tension à l'entrée du convertisseur, en maintenant constante la tension sur la « grille » du transistor à effet de champ ou le courant émetteur-base du transistor bipolaire, sera approximativement une fonction en racine carrée de la quantité de lumière reçue sur la cellule photosensible. L'introduction du transistor ayant rendu le signal proportionnel à la racine carrée de l'intensité de la lumière reçue, le principe même du fonctionnement de l'écran à cristaux liquides fait que la luminosité de l'image affichée sur l'écran sera proportionnelle au carré du signal, donc à l'intensité de la lumière reçue par le capteur d'images. Une deuxième variante de l'amélioration proposée consiste à insérer l'élément non- linéaire décrit ci-dessus, ou une variante de celui-ci, dans le circuit de contre-réaction d'un étage d'amplification (6), par exemple selon la figure 2. Là au contraire, c'est la diode qui sera directement insérée dans le circuit de contre-réaction, de sorte que la contre-réaction soit croissante, donc le gain décroissant, en fonction de l'intensité du signal. Des éléments de circuit complémentaires peuvent être aussi introduits pour compenser, au moins en partie, les variations de tension aux bornes de la diode en fonction de la température. Comme cette variation de la tension en fonction du courant n'est pas exactement logarithmique, puisqu'à un courant nul ne peut pas correspondre une tension infiniment négative, ce qui sera converti en numérique est la différence entre cette tension et une tension relevée entre deux résistances (9) et (10) respectivement reliées aux deux pôles d'alimentation ; mais la courbe de réponse sera à peu près logarithmique sur une assez large étendue de variation d'amplitude du signal. La représentation numérique, dans la carte mémoire de l'appareil, est donc de ce fait alors à peu près conforme à la sensation humaine face au sujet photographié, selon la loi dite de Weber-Fechner. C'est donc la combinaison qui permet de mieux enregistrer une large échelle de luminosités, quitte à revenir s'il y a lieu, pour l'affichage de la photo, à une dynamique plus réduite, par l'utilisation d'un logiciel de traitement d'images. Même si cette loi logarithmique n'est pas suivie sur une large plage de tension, un tel traitement du signal permet encore d'élargir la dynamique de l'appareil photo. Pour pouvoir afficher facilement, avec les moyens actuellement disponibles, une image plus conforme à la scène représentée, on peut tempérer la croissance logarithmique du signal introduit dans le convertisseur analogique - numérique en fonction de la tension donnée par les cellules du capteur de lumière, de sorte que cette courbe de réponse se rapproche plus d'une loi en racine carrée qui compense le fait cité ci-dessus que l'affichage sur un écran « LCD » donne une réponse selon le carré du signal : cette combinaison n'enregistrera qu'une échelle plus réduite de luminosités, mais cependant déjà très supérieure à ce qui se fait dans l'état actuel de la technique. Pour cela, on peut introduire (figure 3) à la place de la diode (3), toujours entre la sortie de la matrice de capteurs et l'entrée du convertisseur analogique - numérique, soit en dérivation selon la figure 1, soit en contre-réaction selon la figure 2, un réseau (7) composé de plusieurs diodes (11, 13, 15) et résistances (12, 14). Ce réseau peut être aussi réalisé selon d'autres schémas, toujours avec des diodes et des résistances. Ainsi on peut obtenir un signal de sortie croissant moins lentement en fonction du signal d'entrée, et même, en choisissant convenablement les valeurs des résistances, proche d'une variation en racine carrée. Seules trois diodes et deux résistances sont ici représentées, mais rien n'empêche d'en mettre un nombre plus important, en graduant les valeurs des résistances de sorte que la courbe de réponse soit mieux adaptée à la dynamique recherchée. Une troisième manière, ici proposée, pour trouver un signal numérisé non linéaire en fonction de la tension délivrée par le capteur d'images, consiste à remplacer le convertisseur analogique-numérique par un convertisseur non-linéaire. Le modèle le plus simple de convertisseur analogique-numérique est ce qu'on appelle 5 le convertisseur à rampe. Il comporte une horloge qui émet des signaux périodiques et un compteur de signaux d'horloge ; il comporte également un générateur de rampe de tension, linéaire dans l'état actuel de la technique. Le générateur de rampe, le compteur et l'horloge sont mis en route en même temps, et quand la tension produite par la rampe est égale à la tension analogique à numériser on arrête le compteur, qui donne alors en valeur numérique 10 le temps qui était nécessaire à la rampe pour atteindre cette tension. Cette variante de la présente proposition a pour objet de remplacer la rampe de tension linéaire (un courant constant charge ou décharge un condensateur) par une rampe de tension non-linéaire, par exemple sinusoïdale dans la première partie de sa croissance. La tension sinusoïdale est calée pour rester par exemple toujours positive, c'est à dire partir de 15 zéro avec une croissance qui, au début, croît pratiquement selon le carré du temps passé. Dans ce cas, pendant au moins un sixième de période de cette sinusoïde, le nombre de tops d'horloge, donc le signal de sortie numérique du convertisseur, est à peu près proportionnel à la racine carrée du signal analogique à numériser. On obtient donc, par ce moyen, un signal numérique à peu près proportionnel à la racine carrée de la lumière reçue 20 sur le capteur, c'est à dire encore conséquent, même pour les très faibles valeurs de l'éclairement de la cellule correspondante dans la matrice de capteurs. Et pourtant la dynamique de l'image obtenue sera augmentée, puisque ne sera enregistré dans la carte mémoire de l'appareil qu'un signal à peu près proportionnel à la racine carrée de l'intensité lumineuse. 25 On peut compléter ce dispositif en constituant un réseau plus complexe de diodes, transistors et de résistances, pour obtenir toute autre forme de variation non linéaire du signal en fonction de l'intensité lumineuse. On peut aussi insérer dans le circuit plusieurs éléments non-linéaires parmi ceux qui sont indiqués ci-dessus. On peut aussi réaliser dans le même appareil plusieurs circuits différents, chacun conforme à une partie de la description ci-dessus, et commuter selon les réglages définis par l'utilisateur de sorte qu'un circuit ou l'autre soit actif, ce qui permet à l'utilisateur de disposer, par une commande extérieure, d'un choix de régimes de variation du signal de sortie en fonction de la luminance du sujet photographié ou filmé. Ces perfectionnements peuvent être introduits dans toutes sortes d'équipements pouvant réaliser des photos ou des séquences vidéo numériques, notamment les appareils photo compacts ou reflex, les téléphones portables, les tablettes, les « smartphones », les caméras vidéo numériques.10 REVENDICATIONS1 Appareil comportant entre autres une fonction de prise de vues numériques, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la matrice de capteurs de lumière et la sortie du convertisseur analogique - numérique, au moins un élément de circuit non-linéaire qui donne, à partir de chaque élément de la matrice de capteurs de lumière, un signal numérique qui soit une fonction non-linéaire de la lumière reçue par cet élément de la matrice de capteurs, cette fonction croissant plus vite pour les faibles lumières que pour les plus fortes. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est inséré, entre la sortie de 10 la matrice de cellules photosensibles et l'entrée du convertisseur analogique - numérique, au moins un élément de circuit dont la caractéristique courant - tension n'est pas linéaire. 3 Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que cet élément de circuit non - linéaire comporte entre autres composants au moins une diode utilisée dans le sens direct. 15 4 Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que cette diode en direct est insérée dans le circuit de contre-réaction d'un étage d'amplification. 5 Appareil selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que cet élément de circuit non - linéaire comporte un transistor, utilisé dans la partie à basse tension, non-linéaire, de sa caractéristique. 20 6 Appareil selon une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que cet élément de circuit non - linéaire est un réseau comportant plusieurs de ces éléments non-linéaires, diodes ou transistors, et des résistances. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique non-linéaires, basés sur le principe d'une rampe de 25 tension non-linéaire.