Brevet FR3034553A1 — publié le 20161007

PROCEDE DE DETERMINATION D'UNE DIRECTION D'UN OBJET A PARTIR D'UNE IMAGE DE L'OBJET Le domaine de l'invention est celui de la détermination de la direction absolue d'un objet à partir d'une position géographique depuis laquelle est acquise une image optronique de celui-ci. La détermination de directions géographiques absolues au moyen d'un dispositif d'imagerie optronique qui ne dispose pas de dispositif d'orientation permettant une mesure de direction de qualité compatible de celle recherchée constitue un défi technologique. En effet, les systèmes qui s'attachent à résoudre ce problème utilisent en général des composants de mesure d'orientation dont le coût reste élevé pour atteindre la performance recherchée qui peut être de la classe du milli-radian. Par exemple, une performance angulaire de la classe 1 milli-radian à 90% est nécessaire pour contenir une erreur de localisation dans la catégorie TLE1 (6m à 90%) sur un objet situé à 5km du senseur. Les dispositifs de mesure d'orientation de cette classe sont peu communs, chers et de masse trop importante pour être considérés dans un dispositif portable. Les solutions suivantes qui permettent la mesure d'attitude ne sont bien pas adaptées pour les raisons suivantes : - Les compas magnétiques sont peu performants (classe 10 milli- radians), difficiles à intégrer, très sensibles à l'environnement EM, utilisent la déclinaison magnétique locale (elle aussi mal connue dans la classe 10 milliradians) pour transformer l'azimut magnétique en azimut ou direction géographique, leur coût est relativement faible mais peut atteindre 1000E. - Les FOG (acronyme de l'expression anglo-saxonne Fiber Optic 25 Gyrometer), gyromètres laser (RLG), gyromètres à résonateur hémisphérique (HRG), sont volumineux, lourds, de consommation électriques et de coût élevés, - Les MEMS ne sont pas suffisamment performants (quelques milliradian), présentent une faible maturité et nécessitent une procédure de 30 calibration pouvant être longue et complexe, - Les objets célestes permettent une performance élevée mais ne sont pas toujours visibles (difficulté pour voir les étoiles de jour, ou le soleil à travers de gros nuages), 3034553 2 - Les systèmes de positionnement tels que GNSS (acronyme de l'expression anglo-saxonne Global Navigation Satellite System), sont modérément performants pour les bases de longueur envisagées, et leur volume, leur masse et leur consommation sont peu compatibles d'un 5 dispositif portable, - L'emploi d'amers souvent extraits de données type ortho-image (en visée équivalente à une vue verticale) ou carte, n'est pas facile à mettre en oeuvre lorsqu'on utilise une image d'opportunité (surtout lorsqu'elle est en petit champ et en visée rasante) puisque : 10 o cette approche nécessite tout d'abord de disposer de la vue verticale avec le bon niveau de détail, o la probabilité de pouvoir mettre en correspondance un point d'amer à un détail présent dans l'image se réduit quadratiquement avec le champ de celle-ci. 15 o la probabilité de pouvoir associer plusieurs amers dans une image décroit de plus linéairement avec leur nombre. - La technique basée sur la polarisation du ciel, technique récente bioinspirée de l'orientation d'insectes pour leur navigation, présente de faibles performances. 20 Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. Le procédé selon l'invention propose un mode performant d'estimation d'orientations d'images et de directions d'objets de la classe 1 mrad, sur un système optronique d'acquisition d'images portable en exploitant : une phase de baptême terrain (PBT) qui consiste à apprendre et archiver l'information sur l'environnement de la scène imagée, sous formes de signatures caractérisant des détails extraits des images, dans la ou les bandes de fréquence du système optronique, ces signatures étant en outre associées à leur direction dans un référentiel géographique, une phase d'opération en ligne (POL), qui consiste à exploiter les informations archivées dans la phase d'apprentissage pour déterminer en temps réel la direction géographique et éventuellement la 3034553 3 localisation d'objets au sein d'une image nouvellement acquise dont les signatures sont extraites pour être comparées aux signatures archivées. 5 Dans la suite : on désigne par direction (géographique) d'un objet d'une scène, le vecteur joignant le système à l'objet ; cette direction est caractérisée d'après son élévation (angle par rapport au plan perpendiculaire à la verticale locale) et son azimut géographique (angle entre le Nord 10 géographique et la projection de la direction à l'objet dans le plan horizontal) ; on qualifie par orientation ou attitude d'une image, les informations permettant d'orienter totalement l'image dans un repère couvrant les 3 dimensions de l'espace géographique (par exemple de manière 15 minimale avec les 3 angles d'Euler roulis, tangage et lacet). Par ailleurs la détermination d'une direction correspondant à un pixel d'une image dépend de ses coordonnées image et se fait à l'aide d'un modèle géométrique paramétrique du système optronique. Les paramètres du modèle dépendent de la position du système et de l'orientation de l'image 20 ainsi que de paramètres internes (comme la focale ou distorsion du senseur optronique). Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de détermination de la direction d'un objet d'une scène dans une image 25 optronique, avec une performance souhaitée prédéterminée. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comporte une phase de « baptême terrain » ou PBT et une phase d'opération en ligne ou POL. La phase de « baptême terrain » comporte les étapes suivantes : - acquisition par balayage circulaire au moyen d'un premier dispositif 30 d'imagerie optronique de position déterminée, d'une série d'images optroniques partiellement recouvrantes, incluant une image ou plusieurs images de la scène (étape A1), - extraction automatique dans les images, de descripteurs définis par leurs coordonnées images et leurs caractéristiques radiométriques, 3034553 4 avec au moins un descripteur de direction inconnue dans chaque recouvrement d'images (étape BI), - à partir des descripteurs des recouvrements, estimation automatique de la rotation relative des images entre elles et mise en 5 correspondance des descripteurs des recouvrements (étape CI), - identification dans les images, d'au moins une référence directionnelle absolue connue de précision compatible de la performance souhaitée dans un repère géographique local, et détermination des coordonnées images de chaque référence (étape 10 Dl), - à partir des descripteurs des recouvrements mis en correspondance, de la direction et des coordonnées images de chaque référence, estimation automatique de l'attitude de chaque image et de la position du premier dispositif d'imagerie, dite étape de recalage fin (étape El), 15 - à partir de l'attitude de chaque image, de la position et de paramètres internes du premier dispositif d'imagerie prédéterminés, et des coordonnées images de chaque descripteur, calcul des directions absolues des descripteurs selon un modèle prédéterminé de prise de vue qui modélise sous forme paramétrique la physique de prise de 20 vue du dispositif d'imagerie (étape FI), c'est-à-dire le cheminement géométrique des photons de la scène sur un pixel du détecteur. La phase d'opération en ligne comporte les étapes suivantes : - Acquisition d'au moins une image de l'objet dont on cherche à déterminer la direction, dite image courante, à partir d'un second 25 dispositif d'imagerie de position déterminée, (étape A2), Extraction de descripteurs dans chaque image courante (étape B2), Mise en correspondance des descripteurs de chaque image courante avec les descripteurs dont la direction absolue a été 30 calculée lors de la phase « baptême terrain », pour déterminer la direction absolue des descripteurs de chaque image courante (étape C2), - A partir des directions absolues des descripteurs de chaque image courante, estimation de l'attitude de chaque image courante et 3034553 5 éventuellement de paramètres internes comme la focale et/ou la distorsion du second dispositif d'imagerie (étape D2), A partir des coordonnées image de l'objet dans chaque image courante, de l'attitude de chaque image courante, de la position et 5 de paramètres internes prédéterminés du second dispositif d'imagerie, calcul de la direction absolue de l'objet selon un modèle prédéterminé de prise de vue de chaque image de l'objet (étape E2). 10 Ce procédé, que l'on pourrait qualifier de compas odométrique, met ainsi en oeuvre une phase préliminaire d'apprentissage en caractérisant l'environnement du dispositif d'imagerie puis une phase d'exploitation temps réel qui utilise les informations apprises pour déterminer les directions absolues d'images et en déduire celles des objets présents dans les images. 15 L'apprentissage procède d'une phase dite "baptême terrain" qui consiste à acquérir des images en recouvrement sur tout ou partie du tour d'horizon et à apprendre l'environnement en extrayant et construisant une information compressée qui caractérise son contenu dans les bandes de fréquence du dispositif d'imagerie. 20 L'exploitation d'une image courante permet ensuite de déterminer des directions géographiques instantanées d'objets présents dans ces images. Il est mis en oeuvre en respectant les conditions d'utilisation suivantes : - sur un système optronique portable, en se laissant éventuellement la 25 possibilité d'utiliser un support physique léger de type trépied, - dans un environnement ne disposant pas nécessairement de réception de signaux GNSS ou, de manière équivalente, sur un système n'embarquant pas nécessairement de récepteur GNSS (de type GPS, Glonass, Galileo par exemple), 30 - sans moyens d'orientation ou avec des moyens de faible coût ( REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la direction d'un objet d'une scène (1) dans une image optronique, avec une performance souhaitée prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comporte une phase de « baptême terrain » et une phase d'opération en ligne, la phase de « baptême terrain » comportant les étapes suivantes : - acquisition par balayage circulaire au moyen d'un premier dispositif d'imagerie optronique de position déterminée, d'une série d'images optroniques (2) partiellement recouvrantes, incluant une image ou plusieurs images de la scène (étape Al), - extraction automatique dans les images, de descripteurs définis par leurs coordonnées images et leurs caractéristiques radiométriques, avec au moins un descripteur de direction inconnue dans chaque recouvrement (21) d'images (étape B1), - à partir des descripteurs des recouvrements, estimation automatique de la rotation relative des images entre elles et mise en correspondance des descripteurs des recouvrements (étape C1), - identification dans les images, d'au moins une référence directionnelle absolue connue (22) de précision compatible de la performance souhaitée, et détermination des coordonnées images de chaque référence (étape Dl), - à partir des descripteurs des recouvrements mis en correspondance, de la direction et des coordonnées images de chaque référence, estimation automatique de l'attitude de chaque image et de la position du premier dispositif d'imagerie, dite étape de recalage fin (étape El), - à partir de l'attitude de chaque image, de la position et de paramètres internes du premier dispositif d'imagerie prédéterminés, et des coordonnées images de chaque descripteur, calcul des directions absolues des descripteurs selon un modèle prédéterminé de prise de vue du dispositif d'imagerie (étape F1), la phase d'opération en ligne comportant les étapes suivantes : 3034553 34 Acquisition d'au moins une image de l'objet dite image courante (20), à partir d'un second dispositif d'imagerie de position déterminée, (étape A2), Extraction de descripteurs dans chaque image courante (étape 5 B2), Mise en correspondance des descripteurs de chaque image courante avec les descripteurs dont la direction absolue a été calculée lors de la phase « baptême terrain », pour déterminer la direction absolue des descripteurs de chaque image courante 10 (étape C2), A partir des directions absolues des descripteurs de chaque image- courante, estimation de l'attitude de chaque image courante (étape D2), A partir des coordonnées image de l'objet dans chaque image 15 courante, de l'attitude de chaque image courante, de la position et de paramètres internes prédéterminés du second dispositif d'imagerie, calcul de la direction absolue de l'objet selon un modèle prédéterminé de prise de vue de chaque image courante (étape E2). 20 2. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la focale du premier dispositif d'imagerie est différente de la focale du second dispositif d'imagerie. 25 3. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les paramètres internes dont la focale du premier dispositif d'imagerie de la phase PBT sont estimés lors de l'étape de recalage 30 fin et/ou les paramètres internes dont la focale du second dispositif d'imagerie de la phase en ligne sont estimés lors de l'étape d'estimation de l'attitude de l'image objet. 4. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 3034553 35 ce que les premier et second dispositifs d'imagerie sont un même dispositif d'imagerie. 5. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans 5 une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les descripteurs de la phase de « baptême terrain » sont archivés dans une base de données avec leurs caractéristiques radiométriques et leurs directions absolues. 10 6. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une carte de densité de la distribution spatiale des descripteurs est construite avant la phase d'opération en ligne. 15 7. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la série d'images acquises lors de la phase de « baptême terrain » couvre un tour complet d'horizon. 20 8. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la série d'images acquises lors de la phase de « baptême terrain » couvre une portion de tour complet d'horizon et en ce qu'au moins deux références sont identifiées dans les images. 25 9. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position du premier dispositif d'imagerie est déterminée par des moyens de positionnement équipant ledit dispositif ou est estimée 30 à partir de plusieurs références. 10 Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position du second dispositif d'imagerie est déterminée par 35 des moyens de positionnement équipant ledit dispositif ou est estimée à partir de plusieurs références. 3034553 36 11. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de construction d'une image panoramique à partir des images finement recalées, et en ce que chaque pixel de 5 l'image panoramique est associé à une direction absolue. 12. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la série d'images acquises sont des images vidéo. 10 13. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la série d'images est acquise image par image. 15 14. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque image acquise est associée à une élévation. 15. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans 20 une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque référence est un amer terrestre ou un objet céleste. 16. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 25 ce que le dispositif d'imagerie est monté à bord d'une plateforme de position fixe. 17. Procédé automatique de détermination de la direction d'un objet dans une image selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce 30 que le dispositif d'imagerie est monté à bord d'une plateforme mobile de trajectoire connue. 18. Procédé automatique de détermination de la directtion d'un objet dans une image selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la 35 plateforme mobile est un véhicule terrestre ou naval ou un aéronef. 19. Un produit programme d'ordinateur, ledit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code permettant d'effectuer les étapes 3034553 37 du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. 10 15 20 25 30 35