1 MF Audier – Avril 2009 Contenu du cours ESE22 : Formation, capture et restitution des images...
of 85/85
1 MF Audier – Avril 2009 Contenu du cours ESE22 :Formation, capture et restitution des images ESE22 :Formation, capture et restitution des images mardi 07 avril 2009 (8h30 - 12h15) Caractérisation des images dans le visible • Contraste en fonction de la bande spectrale et des conditions atmosphériques : annulation, inversion de contraste. • Paramètres de performance MRC: Optique, Détecteur, Stabilisation, Visualisation, Observateur... • Introduction au bilan de portée mardi 21 avril 2009 (8h30 - 12h15) Acquisition et restitution dans le visible • système de télévision • Photographie numérique • caractéristiques et défauts des différents capteurs : tubes de prises de vue, caméras CCD, caméras CMOS, intensificateurs, EBCCD/CMOS • En annexe: Bases de la caractérisation d’un détecteur
1 MF Audier – Avril 2009 Contenu du cours ESE22 : Formation, capture et restitution des images mardi 07 avril 2009 (8h30 - 12h15) Caractérisation des images
Text of 1 MF Audier – Avril 2009 Contenu du cours ESE22 : Formation, capture et restitution des images...
Page 1
1 MF Audier Avril 2009 Contenu du cours ESE22 : Formation,
capture et restitution des images mardi 07 avril 2009 (8h30 -
12h15) Caractrisation des images dans le visible Contraste en
fonction de la bande spectrale et des conditions atmosphriques :
annulation, inversion de contraste. Paramtres de performance MRC:
Optique, Dtecteur, Stabilisation, Visualisation, Observateur...
Introduction au bilan de porte mardi 21 avril 2009 (8h30 - 12h15)
Acquisition et restitution dans le visible systme de tlvision
Photographie numrique caractristiques et dfauts des diffrents
capteurs : tubes de prises de vue, camras CCD, camras CMOS,
intensificateurs, EBCCD/CMOS En annexe: Bases de la caractrisation
dun dtecteur
Page 2
2 MF Audier Avril 2009 Systmes dimagerie ESE22 : Formation,
capture et restitution des images
Page 3
3 MF Audier Avril 2009 Objectifs imagerie passive Dtection,
Reconnaissance, Identification visuelle observation en temps rel
via une visualisation Applicable toutes bandes spectrales (visible,
PIR, IR2, IR3) Estimer les performances oprationnelles (portes) dun
quipement dimagerie Dimensionner un quipement dimagerie ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 4
4 MF Audier Avril 2009 Chaine Image ESE22 :Formation, capture
et restitution des images Optique Collectrice de flux Dtecteur
Absorbe les photons et gnre des lectrons puis les convertit en
tension Units de traitement et de mise en forme de limage Systme de
visualisation
Page 5
5 MF Audier Avril 2009 Contenu 1.Modlisation dune scne rflexion
des sources naturelles de rayonnement lien entre rflexion et
rayonnement solaire propagation atmosphrique bilan photomtrique
1.Modlisation dun capteur 1. sensibilit et rsolution 2.
stabilisation 3. optique 4. dtecteur 5. visualisation 6.
observateur 7. notion de frquence spatiale 8. notion de FTM ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 6
6 MF Audier Avril 2009 Contenu 1.Dimensionnement dun capteur 1.
repliement de spectre 2. allocation sensibilit rsolution 3.
dimensionnement de loptique et du dtecteur 2.valuation des
performances ( bilan de porte ) 1. bilan photomtrique de la scne 2.
figures de mrite dun quipement 3. bilan de porte ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 7
7 MF Audier Avril 2009 1. Modlisation dune scne luminance
rflchiex transmission + luminance de latmosphre capteur atmosphre
objet + luminance thermiquex transmission albdo missivit temprature
clairement du soleil ou lune clairement du ciel et nuages sources
naturelles termes rflectifstermes thermiquestermes atmosphriques
Dou vient la luminance dun objet ? Quelle est lnergie perue par le
capteur ? ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 8
8 MF Audier Avril 2009 1.2 Rflexion des sources naturelles de
rayonnement Modle lambertienModle spculaireModle gnrique surface
polie surface quelconque surface diffusante albdo coef. de Fresnel
BRDF X L i ( ) E i ( ) L R ( ) ESE22 :Formation, capture et
restitution des images E: Eclairement (W/m ou Lux) L i, L R :
Luminances incidente et rflchie (W/(sr. m) ou Cd/m) BRDF:
Bidirectionnal reflectance distribution function
Page 9
9 MF Audier Avril 2009 Albedo (coefficient de rflexion) et
longueur donde Albedo varie avec: matriau, tat surface,
orientation, . ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 10
10 MF Audier Avril 2009 ESE22 :Formation, capture et
restitution des images Albedo (coefficient de rflexion) et longueur
donde Changements rapides des Valeurs dalbdos de nombreux corps
entre 700 et 750 nm pouvant entraner des inversions de
contrastes
Page 11
11 MF Audier Avril 2009 Image visible (450nm < < 700nm
Albedo (coefficient de rflexion) et longueur donde ESE22
:Formation, capture et restitution des images Image
proche-infrarouge (PIR: > 700nm )
Page 12
12 MF Audier Avril 2009 Visible couleurVisible SWIR:1-1.7 m
Albedo (coefficient de rflexion) et longueur donde
Page 13
13 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique atmosphre
attnuation du rayonnement de la scne (T atm ) superposition la scne
dun flux parasite (L atm ) absorption diffusion rayonnement
thermique capteur rayonnement scne (cible/fond) pertes par
diffusion gains par diffusion pertes par absorption gains par
rayonnement scne atmosphre T ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 14
14 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique Atmosphre
Sources de bruit lectrique Dtecteur lectronique Pupille dentre
optique de focalisation lments attnuant ou dformant le signal Fond
Source Soleil Lumire solaire diffuse Rflexion solaire mission
propre de latmosphre Rayonnement diffus Rayonnement absorb
Rayonnement atteignant le systme Rayonnement non collect par le
systme ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 15
15 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique La lumire
est diffuse et absorbe par les molcules de lair. ESE22 :Formation,
capture et restitution des images Auxquelles sajoutent, dans les
basses couches de latmosphre: fumes pollution poussires
gouttelettes deau brouillard
Page 16
16 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique
Labsorption dpent de: humidit, temprature, concentration en
aerosols Influence de lhumidit wavelength (m) ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 17
17 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique Influence
de la temperature ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 18
18 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique Influence
de la visibilit (arosols) ESE22 :Formation, capture et restitution
des images
Page 19
19 MF Audier Avril 2009 1.5 Bilan photomtrique Calcul de
lnergie (luminance) arrivant en entre pupille du capteur :
Reflexion solaire Propagation atmospherique (fonction de la
distance) ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 20
20 MF Audier Avril 2009 2. Modlisation dun capteur Notion de
sensibilit et rsolution Optique Dtecteur Stabilisation
Visualisation Observateur Notion de frquence spatiale Notion de FTM
FTM des sous-ensembles de la chane image ESE22 :Formation, capture
et restitution des images
Page 21
21 MF Audier Avril 2009 Sensibilit et rsolution Avec
lloignement, les deux points ci-dessus apparatront confondus partir
d une certaine distance, mme en augmentant le contraste des points
par rapport au fond. La limite est fixe par la rsolution de lil, sa
capacit sparer les objets. Avec lloignement, le point ci-dessus ne
sera plus visible partir d une certaine distance. En augmentant son
contraste par rapport au fond, il rapparatra. La limite est fixe
par la sensibilit de lil, sa capacit distinguer un contraste entre
un objet et le fond. ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 22
22 MF Audier Avril 2009 Sensibilit et rsolution ESE22
:Formation, capture et restitution des images Rsolution typique de
loeil Pouvoir de rsolution : env.1min darc Champ de visibilit bonne
rsolution < 2 (120min darc) Vue de 10/10 me R 1 darc Vue de
14/10 me R 0.7 darc
Page 23
23 MF Audier Avril 2009 Facteurs de Sensibilit et rsolution
performance / qualit image rsolution sensibilit chantillonnage
rponse impulsionnelle optique ouverture transmission temprature
bande spectrale dtecteur pas (pitch) optique focale dtecteur rponse
bruits surface pixel temps d intgration numrisation optique pupille
aberrations bande spectrale stabilisation dtecteur dimension zone
sensible ifov ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 24
24 MF Audier Avril 2009 Sensibilit et rsolution capteur bien
dimensionn problme d chantillonnage problme de rponse
impulsionnelle problme de sensibilit ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 25
25 MF Audier Avril 2009 Optique Le systme optique focalise le
flux de la scne sur le dtecteur (sur le plan focal). Il contribue
la rsolution et la sensibilit dun imageur. optique sensibilit
rsolution collection et focalisation du flux de scne introduction
dun flux indsirable ouverture transmission imparfaite rponse
impulsionnelle longueur donde diamtre pupille aberrations ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 26
26 MF Audier Avril 2009 Optique Contribution la sensibilit
luminance de la scne (L) focale luminance transmise (LxT opt )
pupille dentre plan focal (emplacement du dtecteur) clairement sur
le dtecteur E = L x T opt x Principales caractristiques : Diamtre
de la pupille (D pup ) Transmission du systme optique (T opt )
Focale (f ') Ouverture (N = f ' / D pup ) Aberrations optiques
Collection et focalisation du flux de scne : ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 27
27 MF Audier Avril 2009 Optique Contribution la sensibilit
Ouverture du systme optique et sensibilit N = 1 (f/1) (f = D pup )
optique ouverte N = 4 (f/4) (f = 4D pup ) optique ferme lclairement
est 16 fois plus faible ouverture angle solide ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 28
28 MF Audier Avril 2009 Optique Contribution la sensibilit
Eclairement dtecteur maximiser N petit (systme ouvert) T opt grand
Contribution laugmentation du contraste cible/ fond: (E cible E
fond ) ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 29
29 MF Audier Avril 2009 Optique Contribution la rsolution
limage dun point est toujours une tche Quelle que soit la qualit
dun systme optique, Lorigine physique de ce phnomne est : la
diffraction diamtre de la tche Optique circulaire Onde lumineuse
incidence monochromatique plane Lentille focalisation Image
diffraction Plan image tache dAiry ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 30
30 MF Audier Avril 2009 Optique Contribution la rsolution
Proprits de la tache dAiry diamtre dans le plan focal ( Airy ) 84%
de lnergie lintrieur du premier anneau exemples de diamtre en
fonction de la longueur donde : N ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 31
31 MF Audier Avril 2009 Optique Contribution la rsolution scne
optique images de chaque objet les deux objets sont rsolus limite
de rsolution des objets objets non rsolus clairement total plan
focal ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 32
32 MF Audier Avril 2009 Dtecteur dtecteur sensibilit rsolution
conversion de la lumire en courant sources de bruits surface
sensible rponse temps d intgration bruit photonique bruit de
lecture courant d obscurit... rponse impulsionnelle pas d
chantillonnage (pitch) Le dtecteur capture lclairement sur le plan
focal, le transforme en courant et l intgre dans le temps. ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 33
33 MF Audier Avril 2009 2.3 Dtecteur Contribution la sensibilit
pitch surface totale du pixel (pitch) en bleu, surface sensible du
pixel (Ad) Fill Factor (FF) : Conversion de la lumire en courant
lectrique clairement (W/m) E courant (A) I = F x R (A/W ) = E x Ad
x R (A/W) pixel flux (W) F = E x Ad ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 34
34 MF Audier Avril 2009 Dtecteur Contribution la sensibilit
Intgration temporelle du courant Le courant lectrique gnr par un
pixel charge une capacit pendant une dure appele temps d intgration
(ou dure d exposition) A la fin de l intgration, la capacit
contient un nombre d lectrons proportionnel au temps d intgration
(Ti) proportionnel l clairement sur le plan focal courant lectrique
(A) I nombre d lectrons N = I x Ti / q capacit q = charge d un
lectrons (q = 1.610 -19 C) ESE22 :Formation, capture et restitution
des images
Page 35
35 MF Audier Avril 2009 Dtecteur Contribution la sensibilit
Conversion des photons en lectrons 2e mthode flux lumineux
(W)lectrons Cette fois, la capacit de conversion de la lumire du
dtecteur est caractrise par un rendement quantique ( ) Lnergie d un
photon dpend de sa longueur d onde : (joules) les photons du
visible ont plus dnergie que les photons de l infrarouge ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 36
36 MF Audier Avril 2009 Dtecteur Contribution la sensibilit
Conversion des photons en lectrons 2e mthode (suite) Un flux
lumineux F, en Watts (Joules/s), la longueur d onde, dpose chaque
seconde le nombre d lectrons suivant : Le nombre d lectrons en
sortie d un pixel recevant le flux F est donc : (nombre de photons
par seconde) (nombre d lectrons par seconde) ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 37
37 MF Audier Avril 2009 Dtecteur Contribution la sensibilit
Conversion des photons en lectrons synthse Lien entre rponse
lectrique et rendement quantique : ou ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 38
38 MF Audier Avril 2009 Dtecteur - Contribution la sensibilit
Le courant sortant d un dtecteur est bruit : par le bruit
photonique par le bruit du courant d obscurit par le bruit de
lecture de la capacit d intgration autres... dtecteur bruits
dpendants - du flux lumineux - du temps dintgration bruits
dpendants du temps dintgration bruits constants intrinsques au
dtecteur bruit photoniquebruit courant d obscurit bruit de lecture
ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 39
39 MF Audier Avril 2009 Dtecteur Contribution la rsolution Le
dtecteur contribue la rsolution d un capteur de part la dimension
de ses pixels. Soit un capteur ralisant limage de deux points
proches. On suppose que loptique permet de rsoudre les deux points
(la pupille est assez grande). objets bien rsolus limite de
rsolutionobjets non rsolus 3 matrices diffrentes font l acquisition
de l clairement dans le plan focal. les rsultats sont les suivants
: ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 40
40 MF Audier Avril 2009 Stabilisation La ligne de vise dun
imageur est gnralement stabilis. Sur des porteurs aroports ou
terrestres en mouvement, il subsiste malgr tout des rsidus de
vibrations composs dun spectre de frquences varis (vibrations
basses, moyennes et hautes frquences). Pendant les temps
dintgration typiques des dtecteurs (quelques ms), on considre que
les vibrations ont un spectre gaussien autour dune valeur moyenne,
caractris par un cart-type de vibration exprim en rad. Selon leurs
amplitudes, les rsidus de vibrations peuvent dgrader la rsolution
en talant la PSF du capteur. ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 41
41 MF Audier Avril 2009 Visualisation Les moniteurs, afficheurs
cristaux liquides ou OLED intervenant dans la chane image ont un
impact sur la rsolution et la sensibilit. sur la sensibilit : le
contraste et la luminosit dun afficheur ne sont pas toujours rgls
de faon optimale en conditions oprationnelles (dans un avion, le
pilote ne peut pas prendre le temps doptimiser les rglages) en
conditions oprationnelles, il nest pas rare que le soleil claire le
moniteur et dgrade fortement les contrastes sur la rsolution
chantillonnage : la rsolution des moniteurs nest pas toujours
adapte la taille des images gnres par le capteur : des r-
chantillonnage (mise au format vido) sont ncessaires et dgradent la
qualit des images PSF : le spot des crans tube cathodique a un
certain talement qui peut contribuer gommer certains dtails
initialement contenus dans limage. ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 42
42 MF Audier Avril 2009 Observateur Lobservateur est llment
finale de chane image. Situ quelques dizaines de centimtres du
moniteur, ses yeux observent limage prsente et contribuent la
sensibilit et la rsolution de la chane image : sur la rsolution :
lil humain a une certaine rsolution (dpendante des conditions
dillumination), typiquement 1 darc, qui peut empcher la
discrimination des dtails les plus fins si la distance cran-il est
trop grande ou si lcran est trop petit. pour limiter ces pertes, il
faut maximiser la dimension des moniteurs, ou encore utiliser des
zooms lectroniques pour agrandir limage prsente lil. sur la
sensibilit : lil humain (et le cerveau ) intgre temporellement et
spatialement les informations qui lui sont prsentes afin damliorer
sa sensibilit. ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 43
43 MF Audier Avril 2009 Observateur Intgration temporelle Le
temps dintgration de loeil peut tre approxim entre 0.1 et 0.2
seconde La video issue du senseur est prsente loprateur une
frquence de 50Hz Durant lobservation, le cerveau de loprateur
intgre jusqu 10 images La sensibilit de la vido est ainsi amliore
dun facteur sqrt(N) ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 44
44 MF Audier Avril 2009 Observateur Intgration spatiale Le
cerveau de loprateur peut combiner des pixels adjacents et ainsi
amliorer le rapport signal/bruit peru Un modle pour prendre en
compte cet effet subjectif: Le nombre dchantillons moyenns par le
cerveau = le nombre de pixels contenus dans une barre de la mire
quivalente la cible (f in cy/rad) Nombre de pixels par barre
dcroissant Mais signal et bruit inchangs: -> seule la perception
change ! ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 45
45 MF Audier Avril 2009 Observateur Coefficient global
(oeil-cerveau) Integration spatiale et temporelle eye : constante
dintgration de loeil F image : Frquence image Ncy nombre de cycles
sur la cible ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 46
46 MF Audier Avril 2009 Notion de frquence spatiale FOURIER a
dmontr que toute forme peut se dcomposer comme une somme de
sinusodes de priodes et amplitudes diffrentes. En modlisation
optique, on remplace un objet par les sinusodes qui le composent.
La frquence d une sinusode est appele frquence spatiale. Une grande
frquence spatiale reprsente des variations spatiales trs franche
(sur une courte longueur) et une faible frquence spatiale reprsente
des variations spatiales tendues (sur une grande longueur). On
reprsente la performance d un capteur par sa capacit imager des
sinusodes, en fonction de leur frquence. ESE22 :Formation, capture
et restitution des images
Page 47
47 MF Audier Avril 2009 Notion de frquence spatiale Espaces
objet et plan focal Lorsquon dcrit la frquence spatiale dun objet
vu depuis le capteur, on lexprime en nombre de cycles (priodes) par
unit dangle (cycles/rad ou cycles/mrad) Lorsquon dcrit la frquence
spatiale de limage dun objet sur le plan focal, on lexprime en
nombre de cycles (priodes) par unit de longueur (cycles/m ou
cycles/ mm ou paire de lignes/mm) 1 rad 3 cycles/rad ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 48
48 MF Audier Avril 2009 Notion de FTM Fonction de Transfert de
Modulation (FTM) Un imageur filtre les frquences spatiales. Puisque
l image dun point est une tache, plus une frquence spatiale est
leve, plus un capteur en fait une image dgrade. La FTM est une
fonction de la frquence spatiale, qui indique la dgradation
introduite par le capteur lorsqu il image une sinusode. ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 49
49 MF Audier Avril 2009 Notion de FTM Si les variations de la
sinusode sont trop fines par rapport la PSF, ses variations sont
attnues par la PSF. * B A ESE22 :Formation, capture et restitution
des images valeur max valeur min Convolution par la PSF
Page 50
50 MF Audier Avril 2009 Notion de FTM Forme typique de FTM
frquence de la mire A frquence de la mire B Image d un crneau avec
cette FTM B A ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 51
51 MF Audier Avril 2009 FTM globale dun capteur La FTM globale
dun capteur est le produit des FTM des diffrents sous-ensemble de
la chane image ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 52
52 MF Audier Avril 2009 FTM optique Diffraction MTF exemple : D
pup = 100 mm, N=4, =4 m Dans le plan objetDans le plan dtecteur
avec or (cy/mrad)(cy/mm) fc = Frquence de coupure: modulation nulle
fc ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 53
53 MF Audier Avril 2009 FTM optique La MTF optique est rarement
la limite impose par la diffraction Une MTF relle est gnralement
lgrement dgrade par divers dfauts A : MTF de diffraction B D : MTF
degrade ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 54
54 MF Audier Avril 2009 FTM du dtecteur Le moyennage spatial
local par un pixel suppos carr de limage forme par loptique sur le
dtecteur peut tre modlis par une FTM de type sinus cardinal : dans
lespace objet :f en cy/rad dans le plan focal :f en cy/m (cy/rad)
(cy/m) fc ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 55
55 MF Audier Avril 2009 FTM de stabilisation Pendant le temps
dintgration, la ligne de vise vibre autour dune direction moyenne
avec une statistique considre gaussienne dcart-type stab
(typiquement, quelques rad). f en cy/rad ESE22 :Formation, capture
et restitution des images
Page 56
56 MF Audier Avril 2009 FTM de l oprateur (il) La FTM de lil
dpend des conditions de luminosit ambiante qui conditionne la
dilatation de la pupille de lil. lum est la luminosit du moniteur
(typiquement 10 100 cd/m) avec ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 57
57 MF Audier Avril 2009 Dimensionnement et valuation de
performances Dimensionner un capteur c est dfinir les
caractristiques principales des sous- ensembles (optique, dtecteur,
visualisation) du capteur. c est trouver le bon compromis entre
sensibilit et rsolution en fonction des missions demandes au
capteur. il n y a pas de dimensionnement gnrique. ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 58
58 MF Audier Avril 2009 Dimensionnement et valuation de
performances Expression technique d un besoin oprationnel critres
de Johnson Les figures de mrite de la performance contraste
apparent : L sensibilit : NEP rsolution : FTM, frquence de Nyquist
performance globale : MRC valuation de la porte Dimensionnement,
optimisation des performances allocation sensibilit / rsolution
allocation optique / dtecteur choix de la bande spectrale ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 59
59 MF Audier Avril 2009 Traduction dun besoin oprationnel Des
standards appels STANAG ont t introduits par lOTAN pour normaliser
et permettre une formalisation technique des besoins oprationnels.
Dans le domaine de la dtection, reconnaissance et identification de
cibles (DRI), la base des standards internationaux est le critre de
Johnson, qui propose de reprsenter les cibles (btiment, vhicule)
sous la forme de mires dont les caractristiques standardises
dpendent de la cible reprsente et de la mission de DRI. ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 60
60 MF Audier Avril 2009 3.1 Niveaux de discrimination Detection
: un objet est prsent Reconnaissance : classement de lobjet (homme,
camion, char...) Identification : Lobjet est discern avec
suffisamment de clart pour en spcifier le type dans sa classe
(Leclerc, M-60, T-52, ami / ennemi) Le niveau de discrimination
dpend de loprateur Cest une mesure trs subjective Detection
Reconnaissance Identification Je vois quelque chose! Probablement
un char! Cest un T62 ! ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 61
61 MF Audier Avril 2009 3.1 Discrimination methodology Niveau
de discrimination Besoins techniques SUBJECTIF QUANTITATIF CRITERES
De JOHNSON ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 62
62 MF Audier Avril 2009 3.1 Johnson criterion J. Johnson :
ingnieur de lUS Army Criteres initialement develops pour les
intensificateurs dimage, en 1958. Base actuelle des standards pour
lindustrie, pour tous systmes et bandes spectrales (vis & IR).
Approche : pattern de barres representant la cible Un niveau de
discrimination La cible est discrimine si le pattern de barres est
discrimin (discrimination des barres) observateurcible Pattern de
barres quivalent la cible ESE22 :Formation, capture et restitution
des images
Page 63
63 MF Audier Avril 2009 3.1 Caracteristiques du pattern de
barres 3 parametres : dimension (w) nombre de barres (ou de paires
de barres) contraste entre barres w ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 64
64 MF Audier Avril 2009 3.1 Dimensions du pattern de barres
dimension du pattern de barres est la racine carre de la surface
apparente de la cible Surface apparente = SCible rellePattern de
barres La surface apparente depend de la presentation de la cible
front side 45 deg ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 65
65 MF Audier Avril 2009 reconnaissance 3 cycles detection 1
cycle identification 6 cycles 3.1 Nombre de barres ( * ) un cycle
est une paire de barres (1 noire + 1 blanche) Le nombre de barres
depend de: Du niveau discrimination : detection, reconnaissance ou
identification probabilit de discrimination : pour un niveau de
discrimination, proportion dobservateurs capables de discriminer la
cible Johnson a travaill avec un panel dobservateurs et de cibles
pour determiner empiriquement le nombre de barres. Nombre de cycles
( * ) pour une probabilit de 50% ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 66
66 MF Audier Avril 2009 3.1 Probabilit de discrimination
Johnson a determin empiriquement une loi donnant le nombre de
cycles ncessaires pour obtenir un niveau de discrimination avec une
probabilit donne. Cette loi est appele TTPF : Target Transfer
Probability Function N50 est le nombre de cycles pour une
probabilit de 50% ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 67
67 MF Audier Avril 2009 ESE22 :Formation, capture et
restitution des images 3.1 Exemple pattern de barres quivalent 50%
probability 95% probability detection reconnaissance identification
1 2 3 6 6 cycles 12 cycles 2,3 m
Page 68
68 MF Audier Avril 2009 3.1 Frquence spatiale dans lespace
objet Le nombre de cycle et la dimension du pattern de barres
dtermine la frquence spatiale Frquence spatiale basse Frquence
spatiale leve 1 cycle in 2,3 m f = 0,43 cy/m 12 cycles in 2,3 m f =
5,22 cy/m (en cycles/metre) L = dimension du pattern de barres N =
nombre de cycles du pattern Nombre de cycles dans 1 metre ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 69
69 MF Audier Avril 2009 3.1 Frquence spatiale dans lespace
observateur Les frquences spatiales sont souvent exprimes dans
lespace observateur L L = dimension du pattern de barres N = nombre
de cycles du pattern D = distance entre le pattern et lobservateur
D N cycles vus dans un angle (en cycles/rad) Nombre de cycles dans
1 radian ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 70
70 MF Audier Avril 2009 Contrast du pattern de barres en bande
visible Reflectance de la cible Reflectance du fond Cible et fond
nont pas de rflectance uniforme. On considre une rflectance
moyenne. Les signatures de cible et fond sont trs dpendentes des
conditions environmentales. ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 71
71 MF Audier Avril 2009 3.1 Contrast du pattern de barres et
concept Reflectance du fond Reflectance de la cible Rflectances de
cible et de fond sont definies en accord avec le scenario (climat,
cible et fond materiaux, exposition solaire) et avec la bande
spectrale utilise Pour mener lanalyse, une difference rflectance (
) entre cible et fond doit tre dfinie Pour les bandes visibles
ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 72
72 MF Audier Avril 2009 3.2 Figures de mrite Objectifs Dfinir
les grandeurs permettant dexprimer de manire quantifie : la
sensibilit dun capteur la rsolution dun capteur sa performance
globale (incluant sensibilit et rsolution) Evaluer la performance
de limageur dans une mission de DRI, cest dire ses portes de
Dtection, Reconnaissance et Identification. La porte est la plus
grande distance permettant la ralisation dune mission (avec une
probabilit fixe). ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 73
73 MF Audier Avril 2009 3.2.1 Mesures de la sensibilit Les
mesures de la sensibilit dun capteur imageur expriment de
diffrentes manires le plus petit signal discernable avec le
capteur, en regard du bruit gnr par celui-ci, dans des conditions
dutilisation donnes. Quelle que soit la bande spectrale : le NEP
signifie Noise Equivalent Power reprsente la plus faible diffrence
de flux (en Watts), au niveau du plan focal du capteur, que le
capteur peut distinguer (signal de mme amplitude que lcart-type de
bruit). dpend de la luminance moyenne de la scne observe. Plus le
capteur est sensible, plus la valeur de ces mesures est faible.
ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 74
74 MF Audier Avril 2009 3.2.1 Remarques sur NEP Le NEP est la
caractristique du capteur complet (avec optique et dtecteur). Il
est dpendant des conditions dutilisation (temps dintgration,
luminance moyenne de la scne observe). Il ne faut pas le confondre
avec le NEP du dtecteur seul, indiqu dans les datasheets des
dtecteurs. Le NEP du capteur complet est gnralement moins bon (plus
grand) que le dtecteur seul. ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 75
75 MF Audier Avril 2009 3.2.2 Mesures de la rsolution La FTM de
la chane image (stabilisation + optique + dtecteur + moniteur +
observateur) est une bonne mesure de la rsolution. Elle indique la
plus grande frquence spatiale discernable par le capteur (celle o
la FTM sannule = frquence de coupure). La vritable limite de
rsolution du capteur ne correspondant pas la frquence de coupure de
la FTM mais une frquence deux fois plus faible appele frquence de
Nyquist. ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 76
76 MF Audier Avril 2009 3.2.2 Frquence de Nyquist La thorie de
lchantillonnage des signaux indique (thorme de Shannon) que pour
chantillonner un signal de telle sorte quil soit reconstructible,
il est ncessaire de lchantillonner avec une frquence suprieure deux
fois la plus grande frquence prsente dans le signal chantillonn.
Autrement dit, toute frquence prsente dans le signal, suprieure
fois la frquence dchantillonnage est mal chantillonne (cest dire
que les chantillons obtenus ne reprsentent rien, ils ne sont pas
interprtables). ESE22 :Formation, capture et restitution des
images
Page 77
77 MF Audier Avril 2009 3.2.2 Frquence de Nyquist Frquence de
Nyquist et FTM frquence dchantillonnage = frquence de coupure (fc)
frquences sous-chantillonnes (aliases) frquence de Nyquist (fn)
Dans le plan focal (cycles/m)Dans lespace objet (cycles/rad)
domaine des frquences exploitables pour la DRI ESE22 :Formation,
capture et restitution des images
Page 78
78 MF Audier Avril 2009 3.3 MRC La MRC est la figure de mrite
du capteur combinant les aspects sensibilit et rsolution.
sensibilit NEP rsolution FTM sensibilit et rsolution MRC ESE22
:Formation, capture et restitution des images MRC : Minimum
Resolvable Contrast (toute bande spectrale)
Page 79
79 MF Audier Avril 2009 3.3 MRC Le raisonnement ayant conduit
la dfinition de la MRC est le suivant : pour voir la modulation
dune certaine frquence spatiale, il faut que son amplitude soit
suprieure au bruit. cette modulation est attnue par la FTM donc si
une modulation m arrive sur le dtecteur, lobservateur peroit une
modulation m*FTM qui doit tre suprieure au niveau de bruit. La MRC
reprsente la plus faible diffrence de luminance (W/m/sr) en entre
pupille perceptible par loprateur. ESE22 :Formation, capture et
restitution des images
Page 80
80 MF Audier Avril 2009 3.3 MRC K(f) : coefficient dintgration
spatiale et temporelle de lil. SNR th : seuil de sensibilit
visuelle standardis 2,25 NEP : dpend de la luminance de scne
[W/m/sr] ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Page 81
81 MF Audier Avril 2009 3.3 Allure de la MRC spatial frequency
L rsolvable = MRC Avec la baisse de FTM, L en entre Doit augmenter
pour que la modulation Puisse tre dtecte ESE22 :Formation, capture
et restitution des images
Page 82
82 MF Audier Avril 2009 3.3 Changement de variable de la MRC La
MRC, linstar de la FTM, est une fonction de la frquence spatiale.
Pour une mire bien dfinie selon les critres de Johnson (adapte une
cible, une mission et une probabilit de russite), on peut tablir
une relation bijective entre frquence spatiale et distance, puisque
: frquence * dimension mire = nombre de cycles o dimension mire est
une mesure angulaire ou mtrique de la cible, selon que lon
travaille dans le plan focale ou dans lespace objet. Dans lespace
objet, on a donc la relation suivante : Note : la frquence de
Nyquist a une distance quivalente : Dn = fn * largeur : Ncy ESE22
:Formation, capture et restitution des images
Page 83
83 MF Audier Avril 2009 3.4 valuation de porte La MRC(d)
indique si un cart de luminance arrivant sur la pupille est
perceptible. Pour dterminer une porte, il suffit de comparer la MRC
le contraste de luminance apparent de la mire quivalente la cible (
L), en fonction de la distance. Attention, il convient de
matrialiser sur le graphique la distance de Nyquist correspondant
la mission. La porte de doit pas dpasser cette distance (limite de
rsolution). distance L MRC range L >MRC L
85 MF Audier Avril 2009 3.5 Allocation sensibilit / rsolution
Pour augmenter la sensibilit : ouvrir plus (N plus petit) si
pupille augmente : bon aussi pour la rsolution si focale diminue :
pas bon pour la rsolution augmenter la taille des pixels (Ad
augmente) focale constante, dgrade lifov donc la rsolution si
focale varie proportionnellement -> ne change ni la sensibilit
ni la rsolution ! augmenter le temps dintgration limit par la
capacit dintgration limit par la frquence dacquisition des images
peut dgrader la FTM de stabilisation (basses frquences de
vibration) et donc la rsolution Pour augmenter la rsolution
rsolution optique (PSF) : agrandir la pupille bien pour tout le
monde, mais limit par volume/masse/cot rsolution dtecteur : rduire
la surface sensible pas bon pour la sensibilit chantillonnage
(frquence de Nyquist) : rduire la taille des pixels : pas bon pour
la sensibilit allonger la focale : rduit louverture (N plus grand),
pas bon pour la sensibilit ESE22 :Formation, capture et restitution
des images
