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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

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  • 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
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  • 2 MF Audier Avril 2009 Systmes dimagerie ESE22 : Formation, capture et restitution des images
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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 )
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  • 12 MF Audier Avril 2009 Visible couleurVisible SWIR:1-1.7 m Albedo (coefficient de rflexion) et longueur donde
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 17 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique Influence de la temperature ESE22 :Formation, capture et restitution des images
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  • 18 MF Audier Avril 2009 1.4 Propagation atmosphrique Influence de la visibilit (arosols) ESE22 :Formation, capture et restitution des images
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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)
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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
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  • 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