FR 2580088 A1 19861010 FR 8505264 A 19850405 "PROCEDE DE FOCALISATION AUTOMATIQUE D'UN APPAREIL DE PRISE DE / VUE VIDEO PAR ANALYSE NUMERIQUE DES CONTOURS DE L'IMAGE'. t La présente invention concerne un procédé de fo- caltsation automatique d'un appareil de prise de vue muni d'un objectif et feurnissant une image numérique. L'invention trouve une application particulière- ment avantageuse pour tout type de camera vidéo lorsque les conditions opérationnelles nécessitent des corrections fré- quentes de focalisation, et notamment pour les cameras infra-rouge dont l'optique en Germanium a un indice, et donc une distance focale, variable avec la température. Un dispositif de focalisation automatique pour camera vidéo est.'&crit dans le brevet des Etats-Unis d'Amériqua n 4 392 726. Dans ce dispositif connu de l'art an- tGrieur, la surface photodétectrice de la camera est amenée èn permanence dars une position telle qu'un signal continu de dî- tection, int6grant les composantes haute-fréquenc, de l'image, soit maintenu à une valeur maximale. Après échantillonnage, ledit signal de détection est différencié de façon analogique, puis le signal différencié résultant est comparé à un seuil. Cette opération a pour but de définir un point -voisin du maxi- nmu du signal de détection par le point o le signal différen- ciî Échantillonné devient supérieur au seuil. Cependant, compte-tenu de l'échantillonnage et de la comparaison audit seuil, ce point ainsi d4terminé ne coïncide pas exactement avec le zéro du signal différencié et n'est donc pas représen- tatif du maximum du signal de détection. Le dispositif connu prévoit alors des moyens qui permettent d'appliquer une cor- rection ramenant la surface photosensible de la camera de la position pr&cédemment déterminée à la position donnant la valeur maximale du signal de détection. Ce dispositif présente toutefois un certain nom- bre d'inconvénients. Il nécessite en effet une chaîne -2- relativement complexe de traitement essentiellement analogique du signal vidéo d'entrée, comprenant filtrage, intégration, échantillonnage, différenciation, comparaison, etc..., toutes ces opérations ne suffisant d'ailleurs pas à fournir une com- mande de focalisation automatique tout à fait satisfaisante puisqu'il a fallu leur ajouter une opération de correction de l'erreur systématique induite par le dispositif lui-même. D'autre part, ce dispositif connu n'est efficace que si l'ima- ge comporte suffisamment de composantes haute-fréquence, ce qui n'est pas le cas lorsque la scène film9*,ne présente que peu de détails. Le but de la présente invention est de remSdier à ces inconvénients en proposant un procédé de focalisation automatique plus simple et sans correction, reposant sur une analyse purement numérique des contours de l'image et qui, dans une première forme, donne de bons résultats pour des ima- ges riches en hautes fréquences, et, dans une deuxième forme, pour des images éventuellement moins détaillées. En effet, selon une première forge de l'inven- tion, un procédé de focalisation automatique d'un appareil de prise de vue muni d'un objectif et fournissant une image numé- rique, est notamment remarquable en ce qu'il consiste à analy- ser l'image, à l'intérieur d'une fenêtre, à l'aide d'au moins un opérateur ûumérique donnant, pour une trame, les dérivées, dites dérivées premières, dans une direction donnée, des contours de l'image, puis à prendre les valeurs absolues de ces dérivées premières, et, enfin, à calculer un paramètre de qualité défini par la somme, dans ladite fenêtre, desdites valeurs absolues des dérivées premières, et en ce qu'on commande par asservissement la position de l'objectif de l'appareil de prise de vue de façon à obtenir la valeur maximale dudit paramètre de qualité. Comme on le verra plus loin, ce paramètre de qualité correspond à la somme, dans la fenêtre, des valeurs crête à crête des fluctuations du signal vidéo. Ce type de pa- ramètre est donc bien adapté au cas d'images contenant suffi- -3- samment de hautes fréquences. Par contre, il est moins effica- ce lorsque les objets de la scène offrent peu de fluc- tuations. On a alors recours à une deuxième forme de l'inven- tion qui décrit un procédé de focalisation automatique d'un appareil de prise de vue muni d'un objectif et fournissant une image numérique, remarquable en ce qu'il consiste à analyser l'image, à l'intérieur d'une fenêtre, à l'aide d'au moins un opérateur numérique donnant, pour une trame, les dérivées, di- tes dérivées premières, dans une direction donnée, des contours de l'image, puis à prendre les valeurs absolues de ces dérivées premières, et, ensuite, à calculer, à l'intérieur de la même fenêtre et à l'aide du même opérateur numérique, les dérivées, dites dérivées secondaires, desdites valeurs absolues des dérivées premières et à en prendre les valeurs absolues, et, enfin, à calculer un paramètre de qualité défini par la somme, dans ladite fenêtre, des valeurs absolues des dérivées secondaires, et en ce qu'on commande par asservisse- ment la position de l'objectif de l'appareil de prise de vue de façon à obtenir la valeur maximale dudit paramètre de qualité. Cette deuxième forme de l'invention consiste donc à effectuer une deuxième fois le traitement décrit dans la première forme, elle conduit à déterminer un deuxième para- mitre de qualité qui est égal à la somme des valeurs crête à crête des fluctuations des dérivées premières du signal vidéo. Ce deuxième paramètre de qualité est représentatif de la pente des contours de l'image, et donc est significatif de la qualité de la focalisation. Dans un mode de réalisation particulier de l'in- vention, ledit opérateur numérique est un opérateur de dériva- tion horizontale appliqué le long d'une ligne de la trame, donnant les dérivées des contours de l'image dans le sens des lignes. De même, dans un autre mode de réalisation, les déri- vées des contours dans une direction perpendiculaire aux lignes sont obtenues lorsque ledit opérateur numérique est un opérateur de dérivation verticale appliqué- -4 perpendiculalreliaent à une ligne de la trame. Cependant, un mode de réalisation préféré prévoit qu'un opérateur numérique de dérivation horizontale et un opérateur numérique de dériva- tion verticale sont simultanément appliques à l'image, à l'in- tgrieur de ladite fenêtre. En effet, ce traitement bidimen- sionnel rend le paramètre de qualité, quel qu'il soit, peu sensible aux rotations de l'image. Enfin, de façon à éliminer une partie des fausses alarmes liges au bruit affectant les données d'entrée, on peut envisager que les valeurs absolues des dérivées premières et secondaires sont comparées à des seuils respec- tifs, avec conservation des valeurs absolues desdites dérivées lorsqu'elles dépassent lesdits seuils. Cette disposition peut, en outre, augmenter le rapport signal à bruit, lequel est encore amélioré du fait que le procédé selon l'invention consiste à sommer les valeurs absolues des dérivées sur toute la fenêtre de mesure. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnas à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1, limitée aux blocs reliés entre eux par des traits pleins, est un schéma synoptique d'une première forme du procédé de focalisation automatique selon l'inven- tion. La figure 2, constituée par la figure 1 et les blocs reliés entre eux par des traits discontinus, est un schéma synoptique d'une deuxième forme du procédé selon l'invention. Les figures 3 et 4 sont des exemples d'applica- tion à des contours-particuliers des paramètres de qualité dé- fini selon l'invention. Les figures 5 et 6 donnent des exemples d'opéra- teurs numériques permettant de calculer les dérivées premières et secondaires des contours de l'image donné par un appareil de prise de vue. -5- La figure 7 est un bloc diagramme des différen- tes opérations conduisant à la détermination des paramètres de qualité. Les figures 8a et 8b montrent les fonctions de transfert et les spectres des signaux respectivement dans le cas d'une focalisation idéale et d'un défaut de focalisation. Les figures 9a et 9b donnent respectivement les variations du paramètre de qualité et de sa dérivée en fonc- tion de la position de l'objectif de l'appareil de prise de vue. La figure 10 donne le schéma d'un circuit d'as- servissement linéaire mettant en oeuvre le procédé de focali- sation automatique selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement les différentes étapes d'un procédé de focalisation automatique d'un appareil 11 de prise de vue muni d'un objectif 12 et fournissant une image numérique 13. Ce procédé consiste à ana- lyser l'image 12, à l'intérieur d'une fenêtre 14, centrée par exemple au milieu de l'image, à l'aide d'au moins un opérateur numérique donnant, pour une trame, les dérivées df, dites du dérivées premières, dans une direction u donnée (u étant égal à x ou y, par exemple), des contours f de l'image 13. La figu- re 1 montre un contour f présentant un maximum H et deux flancs dont les pentes maximales respectives valent m et -m', df avec m' > 0. La courbe df correspondante est une courbe du en S dont les extrêma sont m et -m'. Selon le procédé montré à la figure 1, on prend les valeurs absolues df de ces dé- rivées premières et on calcule un paramètre de qualité P1 défini par la somme, dans ladite fenêtre 14, desdites valeurs absolues des dérivées premières: Pl = df Ce paramètre de qualité Pl est équivalent à l'intégrale dans la fenêtre 14 de la fonction df du I dd P1 | d du.qui vaut ruo d df df d + du du = f - =f2 H, àddu 0 uo ''0 P1 = 2 H Le paramètre de qualité P1 est donc égal, et ceci d'une façon générale, à la somme des valeurs crête à crê- te des fluctuations du signal vidéo. Ce paramètre est bien re- présentatif de la focalisation lorsque précisément un défaut de focalisation se traduit par une diminution des valeurs crê- te à crête des fluctuations du signal, c'est à dire lorsque les images contiennent beaucoup de hautes fréquences. La figu- re 3 donne un exemple d'une telle situation: la courbe f est celle d'un contour bien focalisé, le paramètre de qualité Pi correspondant est P1 = 2H. La courbe f' représente le même contour mais d9focalisé, l'effet de la d9focalisation est à la fois d'étaler le contour et d'en diminuer la valeur crête qui passe de H à H' est Pi' = 2H' tre P1 ne peut être utilisé car insensible à la défocalisa- tion, ainsi que le montre la figure 4. Cette figure montre un contour f correctement focalisé, du type front montant de hau- teur H. La courbe f' est le résultat d'un défaut de focalisa- tion sur la courbe f. La pente du front montant est moins grande, mais si la d9focalisation n'est pas trop importante le maximum de la courbe f' vaut également H. Les deux paramètres de qualité P1 et PI' associés respectivement à f et f' sont égaux à H. le paramètre Pi tel que défini plus haut ne convient donc plus. Il est alors préférable de recourir à une deuxième forme de l'invention conduisant à la définition d'un autre paramètre de qualité mieux- adapté aux images contenant peu de hautes fréquences. Cette deuxième forme de l'invention est schéma- tisée sur la figure 2, et consiste en fait à reproduire une deuxième fois le traitement précédemment décrit. A partir des valeurs absolues df des dérivées premières, on du -7 - calcule, à l'intérieur de la même fenêtre 14 et à l'aide du même opérateur numérique qui a servi à calculer les dérivées premières, les dérivées d I df | dites dérivées du du- secondaires, desdites valeurs absolues des dérivées premières et à en prendre les valeurs absolues. On calcule ensuite un paramètre de qualité P2 défini par la somme, dans ladite fenê- tre, des valeurs absolues des dérivées secondaires: P2- d jdf -2 = 5| du | du Ce paramètre de qualité P2 équivaut à lrintégra- le dans la fenêtre 14 de la fonction du d I dui u P2= fdu d df I du du du Dans l'exemple de la figure 2: P2 = 2(m+m') Le paramètre de qualité P2 est égal à la somme des valeurs crête des fluctuations des dérivées premières du signal vidéo. Revenant au cas de la figure 4, on trouve que les paramètres de qualité P2 et P2' correspondant respective- ment aux courbes f et f' valent 2m et 2m', et donc que P2 >P2', ce qui montre que le deuxième paramètre de qualité P2 est bien significatif de la qualité de la focalisation. Comme le montre la figure 5, ledit opérateur nu- mérique peut être un opérateur de dérivation horizontaleL_+1,-l] appliqué le long d'une ligne x de la trame, ou un opérateur de dérivation verticale +;1 appliqué perpendiculaire- ment, dans une direction y, à une ligne de la trame. Dans le cas o les lignes sont entrelacées et o on ne dispose que d'une ligne sur deux, ainsi que l'indique la figure 6, ledit opérateur numérique est un opérateur de déri- vation horizontale [+1,0,-1i appliqué le long d'une ligne x de la trame, de façon à établir une symétrie dans l'action des opérateurs de dérivation horizontale et verticale lorsque ceux-ci sont appliqués simultanément à l'image, à l'intérieur de la fenêtre 14. Ce mode de réalisation doit être préféré à celui mettant en oeuvre un seul opérateur de dérivation unidi- mensionnel car il assure une certaine invariance des paramè- tres de qualité par rapport aux rotations de l'image. La figure 7 montre sous la forme de blocs-diagramme l'ensemble des opérations conduisant à la dé- termination de l'un ou l'autre des paramètres de qualité P1 et P2. Comme on peut le voir à la figure 7, il est prévu que les valeurs absolues df et d des dérivées du I d du I dut premières et secondaires sont comparées a des seuils respec- tifs Si, 52, Si', S2', avec conservation des valeurs absolues desdites dérivées lorsqu'elles dépassent lesdits seuils. Les valeurs des seuils Si, S2, Si', S2' peuvent être ajustées de façon à ne laisser passer les valeurs absolues des dérivées dues au signal avec un taux de fausse alarme lié à la statis- tique du bruit et à la méthode d'extraction des dérivées. Par exemple, en supposant que le bruit est gaussien et blanc, en appliquant comme dérivée horizontale l'opérateur[+l, 0,-1] et comme dérivée verticale l'opérateu + 1 dans la trame, ce qui correspond à +l dans l'image, on peut calculer que U1 l'écart-type lbruit de chaque dérivée est -, avec U7 égal a l'écart-type du bruit. Comme on peut le voir aux figures 8a et 8b, un avantage de l'invention est qu'il est possible d'ajuster aux faibles signaux la bande passante des filtres numériques cons- titugs par les opérateurs de dérivation ci-dessus dont la fonction de transfert T(f) est du type Isin 21f/felo fe est la fréquence d'échantillonnage. La figure 8a représente la fonction T(f) ainsi que le spectre S(f) d'une image bien foca- lisée. La figure 8b montre que l'on peut diviser la fréquence d'échantillonnage, par exemple par 2, de façon a l'adapter au signal S'(f) correspondant a une image défocalisée. -9- 2580088 L'invention n'est pas limitée aux seuls opéra- teurs de dérivation définis ci-dessus, elle peut en effet met- tre en oeuvre d'autres opérateurs du même type, tels que les filtres numériques connus sous le nom de filtres de Sobel qui prennent la forme de la matrice2 2 p -Pr le calcul des marc12 0 211 21 dérivées horizontales et de la atW;c]e 0 0 0 pour le cal- cul des dérivées verticales. --2-1 Après détermination du paramètre de qualité P (P valant P1 ou P2), celui-ci est utilisé pour commander par asservissement la position de l'objectif 12 de l'appareil de prise de vue 11 de façon à obtenir la valeur maximale dudit paramètre de qualité P. Conformément aux figures 1 et 7, on appellera X la variable donnant la position de l'objectif et Xo la valeur de cette variable correspondant à la focalisation parfaite. Comme l'indique la figure 9a, le paramètre de quali- té P est une fonction de X passant par un maximum PM pour X = Xo. Un mode d'asservissement consiste, d'abord, à échantillonner la courbe de la figure 9a représentant les variations du paramètre de qualité P avec la position X de l'objectif de l'appareil de prise de vue. Cet échantillonnage permet de déterminer le coefficient k figurant dans l'équation de la parabole osculatrice: P = -k (X - Xo)2 +PM donnant l'évolution du paramètre P autour de xo. Les opéra- tions d'échantillonnage, de calcul de la meilleure parabole et l'extraction de k peuvent être effectués par un calculateur. Il est alors possible de maintenir la position X de l'objectif à la position Xo par asservissement linéaire en utilisant comme fonction d'erreur la dérivée dP du paramètre P en fonction de X: dX dP dX = -2k (X - Xo) dX Cette droite est montrée à la figure 9b. Un schéma d'un circuit d'asservissement linéaire mettant en oeuvre le procédé selon l'invention est représenté sur la figure 10. La dérivée dP est comparée à la valeur de dX - 10 - consigne 0 par un comparateur 15 qui fournit une tension d'er- reur. Le comparateur 15 est suivi d'un correcteur 16, d'un am- plificateur 17 de gain G qui commande un moteur 18 de focali- sation. Pour chaque position X de l'objectif 12, le circuit de la figure 10 calcule P et sa dérivée par rapport à X. L'invention ne saurait être limitée au seul asservissement linéaire ci-dessus décrit, il est clair qu'elle peut être mise en oeuvre par tout type d'asservissement connu même non linéaire. l D v v v v o - 11 - REVENDICATIONS: 1. Procédé de focalisation automatique d'un appa- reil de prise de vue muni d'un objectif et fournissant une image numérique, caractérisé en ce qu'il consiste à analyser l'image, à l'intérieur d'une fenêtre, à l'aide d'au moins un opérateur numérique donnant, pour une trame, les.dérivées, dites dérivées premières, dans une direction donnée, des contours de l'image, puis à prendre les valeurs absolues de ces dérivées premières, et, enfin, à calculer un paramètre de qualité défini par la somme, dans ladite fenêtre, desdites va- leurs absolues des dérivées premières, et en ce qu'on commande par asservissement la position de l'objectif de l'appareil de prise de vue de façon à obtenir la valeur maximale dudit para- mètre de qualité. 2. Procédé de focalisation automatique d'un appareil de prise de vue muni d'un objectif et fournissant une image numérique, caractérisé en ce qu'il consiste à analyser l'image, à l'intérieur d'une fenêtre, à l'aide d'au moins un opérateur numérique donnant, pour une trame, les dérivées, dites dérivées premières, dans une direction donnée, des contours de l'image, puis à prendre les valeurs absolues de ces dérivées premières, et, ensuite, à calculer, à l'intérieur de la même fenêtre et à l'aide du même opérateur numérique, les dérivées, dites dérivées secondaires, desdites valeurs ab- solues des dérivées premières et à en prendre les valeurs absolues, et, enfin, à calculer un paramètre de qualité défini par la somme, dans ladite fenêtre, des valeurs absolues des dérivées secondaires, et en ce qu'on commande par asservisse- ment la position de l'objectif de l'appareil de prise de vue de façon à obtenir la valeur maximale dudit paramètre de qua- lité. 3. Procédé de focalisation automatique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit opéra- teur numérique est un opérateur de dérivation horizontale [+l,-i] appliqué le long d'une ligne de la trame. 4. Procédé de focalisation automatique selon l'une - 12 - des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, les lignes de trame étant entrelacées, ledit opérateur numérique est un opérateur de dérivation horizontale [+1, O, -1] appliqué le long d'une ligne de la trame. 5. Procédé de focalisation automatique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit opéra- teur numérique est un opérateur de dérivation verticale [+] appliqué perpendiculairement aux lignes de la trame. 6. Procédé de focalisation automatique selon la re- vendication 5 et l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un opérateur numérique de dérivation horizontale et un opérateur numérique de dérivation verticale sont simultané- ment appliqués à l'image, à l'intérieur de ladite fenêtre. 7. Procédé de focalisation automatique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les valeurs absolues des dérivées premières et secondaires sont comparées à des seuils respectifs, avec conservation des valeurs absolues desdites dérivées lorsqu'elles dépassent les- dits seuils. 8. Procédé de focalisation automatique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, par échantillonnage de la courbe représentant les variations du paramètre de qualité P avec la position X de l'objectif de l'appareil de prise de vue, on détermine le coefficient k figurant dans l'équation de la parabole osculatrice: P = -k (X - Xo)2 + PM donnant l'évolution du paramètre P autour de Xo, et en ce qu'on asservit de façon linéaire la position X de l'objectif sur la position Xo en utilisant comme signal d'erreur la dérivée dP du paramètre P en fonction de X: dX d dP -.2k (X - Xo) dX 9. Procédé de focalisation automatique selon l'une des revendications 1 a 8, caractérisé en ce que l'on divise la fréquence d'échantillonnage de façon à l'adapter à la focali- sation d'une image défocalisae.