Cours Vision Chapitre3

Vision industrielle

Capture d’image

Plan du cours

� Vision humaine

� La caméra

� CCD / CMOS

� Monochrome / Couleur

� Analogique / Numérique

� Matricielle / Linéaire

Cours de Vision Industrielle – Nicolas Vandenbroucke 2

Monochrome /

couleurCCD / CMOSLa caméra

Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’œil

� Composition


Iris

Conjonctive

Cornée

Cristallin

Macula

Corps vitré

Rétine

Nerf optique

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’œil

� Composition� La conjonctive : c'est une solide membrane blanche, opaque

aux rayons lumineux, servant à attacher l'œil dans son orbite.

� La cornée : il s'agit d'une membrane transparente et résistante située sur la face avant de l'œil. Son rôle est de protéger le globe oculaire sur la face avant.

� L'iris : il fonctionne comme un diaphragme en dosant la quantité de lumière qui pénètre dans l'œil. Son ouverture centrale est la pupille.

� Le cristallin : il fonctionne comme une lentille à focale variable, grâce à sa capacité de modifier sa courbure.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’œil

� La rétine

� C'est sur elle que viennent se projeter les images de la scène que nous observons. Elle contient deux types de cellules photosensibles :les cônes et les bâtonnets.


Cônes : ils permettent la vision diurne

(vision photopique)

Bâtonnets : ils permettent la vision nocturne

(vision scotopique)

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’œil

� Les cônes sont de trois types :� cônes S (short) sensibles aux longueurs d'onde courtes (bleu),

� cônes M (medium) sensibles aux longueurs d'onde moyennes (vert),

� cônes L (long) sensibles aux longueurs d'onde longues (rouge).

� La macula est également appelée tache jaune. Elle contient en son centre une petite dépression, la fovéa. Cette dernière est la zone d'acuité maximum de l'œil qui se distingue par une concentration maximale de cônes pour une très faible concentration en bâtonnets.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’œil


Fonctions d'absorption relative des cônesRépartition des cônes

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Longueur d'onde (nm)

Abs

orpt

ion

(san

s un

ité)

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’œil

� Sensibilité lumineuse de l'œil


Fonction d'efficacité lumineuse

relative spectrale de l'œil

L’œil humain est plus sensible aux

couleurs verte ou jaune qui nous

apparaissent plus claires que les

couleurs bleu ou rouge plus sombres.

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


Sen

sibi

lité

lum

ineu

se (

sans

uni

té)

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Théorie trichrome

� Définition

� Tout stimulus de couleur peut être reproduit par le mélange de trois autres stimuli : le rouge, le vert et le bleu, appelées primaires.


Synthèse additive

Vert =Bleu Cyan+

Rouge =Vert Jaune+

Bleu =Rouge Magenta+

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Théorie trichrome

� Expérience d’égalisation (ou d’appariement)

� L’observateur doit reproduire une couleur par mélange en quantité appropriée de trois primaires rouge, verte et bleue ou soustraire à la couleur à reproduire les quantités nécessaires de ces primaires pour permettre l’égalisation.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Théorie trichrome


380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

-0.15

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4


Fon

ctio

ns d

e m

élan

ge (

sans

uni

té)

Fonctions colorimétriques

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Mesure de la couleur


380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

10

20

30

40

50

60

70

80

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

-0.15-0.1

-0.050

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

-0.15-0.1

-0.050

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

-0.15-0.1

-0.050

0.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

5

10

15

20

25

30

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

5

10

15

20

25

30

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

5

10

15

20

25

30

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

25

50

75

100

125

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

V = 1,0000R

+ 4,5907G

+ 0,0601B

R = 63,14

G = 19,76

B = 14,07

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Représentation de la couleur

� Espaces couleur


Espace RVBEspace TLS

Rouge (1,0,0)

Vert (0,1,0)

Bleu (0,0,1)

Blanc (1,1,1)

ONoir

→V

→B

→R

Cyan

Jaune

Magenta

Rouge

Jaune

Magenta

Blanc

Noir

Vert

Bleu

Cyan

O

TP'

P

Triangle de Maxwell

Axe achromatique

α

β

γ

O'

M

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Exemple


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Exemple� La Teinte correspond à la longueur d’onde dominante de la lumière,

c’est-à-dire la longueur d’onde pour laquelle l’énergie correspondante est la plus élevée.

� La Saturation représente la pureté de la couleur.

� La Luminosité correspond à la quantité d’énergie lumineuse.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Définition

� La caméra est l’élément qui permet de capturer l’image d’une scène réelle.

� Elle est composée :

� d’un capteur constitué d’éléments semi-conducteur photosensibles (silicium) qui convertissent l’énergie lumineuse (photon) en une énergie électrique (électron) et qui sont disposés sous forme matricielle ou linéaire,

� de composants électroniques permettant la mise en forme du signal image.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Temps d’intégration

� Temps pendant lequel le capteur doit être exposé à la lumière.

� Il peut être réglable grâce à un shutter (obturateur) électronique ou fixe pour répondre aux normes TV.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Sensibilité

� Variation électrique pour un éclairement donné

� Intensité lumineuse minimale que la caméra peut détecter

� Lorsque la sensibilité est faible, la caméra est limitée pour des application à temps d’intégration faible.

� Lorsque la sensibilité est trop forte, il y a risque de saturation du capteur.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Réponse (ou sensibilité) spectrale� C’est la région du spectre dans laquelle est sensible la

caméra.

� Les capteurs sont sensibles dans le visible mais également dans le proche infrarouge (IR) et l’ultraviolet (UV).

� Lorsque leur maximum de sensibilité est centré sur le rouge, L’utilisation de filtres infrarouges est souvent préconisée.

� Au contraire, la sensibilité de certains capteurs dans l’infrarouge ou l’ultraviolet permet de concevoir des caméras IR et des caméras UV.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques


Réponse spectrale de la caméra monochrome SONY XC-55

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Rapport signal/bruit� C’est le rapport entre la puissance du signal de sortie et le

niveau du bruit présent en absence de signal.

� Il dépend notamment de l’électronique associée au capteur.

� Fréquence d’acquisition� C’est le nombre d’images par seconde que peut acquérir la

caméra.

� Température de fonctionnement

� Résolution� C’est le nombre de pixels du capteur.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques


Les résolutions standard de capteurs

QVGA 320 × 240 4:3 76 800

Dénomination Résolution Rapport Taille image

VGA 640 × 480 4:3 307 200

SVGA 800 × 600 4:3 480 000

XGA 1024 × 768 4:3 786 432

SXGA 1280 × 1024 5:4 1 310 720

UXGA 1600 × 1200 4:3 1 920 000

QXGA 2048 × 1536 4:3 3 145 728

QSXGA 2560 × 1920 4:3 4 915 200

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Taille du capteur

� Pour une même résolution, plus la taille du capteur est grande, plus il est sensible.

� Historiquement, les tailles ont été crées pour les caméras à tubes et ont gardées les mêmes caractéristiques pour les caméras à semi-conducteurs. Leurs dénominations correspondent donc à la taille de la diagonale des caméras à tubes.

� Le rapport entre la hauteur et la largeur du capteur est de 4/3. Ce rapport est celui qui correspond le mieux au champs visuel humain pour que l’image n’apparaisse pas déformée.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques


Les tailles standards de capteurs

(1" (pouce) = 2,54 cm)

1/4’’ 3,2 × 2,4 4:3 4

Dénomination Taille (mm) Rapport Diagonale

1/3’’ 4,8 × 3,6 4:3 6

1/2’’ 6,4 × 4,8 4:3 8

2/3’’ 8,8 × 6,6 4:3 11

1’’ 12,8 × 9,6 4:3 16

4/3’’ 18 × 13,5 4:3 22,5

1/1,8’’ 7,176 × 5,319 4:3 8,933

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Fonction de transfert

� C’est le lien entre le signal lumineux et le signal électrique.

� Par exemple, une correction gamma est souvent utilisée pour que la fonction de transfert du capteur soit proche de celle de l’œil humain mais aussi pour que l’image soit affichée sur des écrans à tubes cathodiques.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques


0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

tension

inte

nsité

lum

ineu

se

L’intensité lumineuse I des

écrans n’est pas

proportionnelle à leur

tension d’alimentation V

mais suit une loi du type :

I = V gamma qui rend les

images plus sombres

La correction gamma

consiste à compenser cette

non linéarité en appliquant

une loi inverse sur la

caméra :

V = I (1 / gamma)

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Gain

� Facteur multiplicatif permettant d’amplifier le signal image avant qu’il ne soit numérisé.

� L’augmentation du gain permet de compenser un manque de lumière mais amplifie également le bruit présent dans le signal.

� Il peut être fixe ou automatique.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caractéristiques

� Offset

� Lorsque le niveau de luminosité est trop faible, le capteur de la caméra n’est pas sensibilisé. Un minimum de luminosité est nécessaire.

� L’offset est un facteur additif permettant d’obtenir une réponse du capteur pour des niveaux de luminosité inférieurs au niveau minimum.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les différents types de caméras

� CCD ou CMOS

� Entrelacée ou progressive

� Monochrome ou couleur (multispectrale, infrarouge…)

� Analogique ou numérique

� Matricielle ou linéaire

� Haute résolution

� Haute cadence


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Définition

� CCD : Charge-Coupled Device

� Dispositif à Transfert de Charges (DTC)

� Principe de fonctionnement

� Basé sur une technologie à semi-conducteur

� Constitué d’un ensemble de photosites (cellule photosensible de 5 à 30 µm) alimenté électriquement pour accumuler des charges


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD


Photosite

Matrice CCD

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Capteur CCD

Le capteur CCD

� La partie photosensible (photodiode) est constituée de silicium qui est dopé de manière à acquérir des propriétés photosensibles.


Photon(grain de lumière)

PhotositeÉlectron

(charge électrique)

� Trois étapes se succèdent :�L’intégration : exposition du capteur à la lumière

�Le transfert

�Transfert parallèle-série

�Transfert de trames

�Transfert interlignes

�L’amplification

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� L’intégration

� L’arrivée des photons crée des charges qui s’accumulent durant le temps d’intégration dans des zones appelées puits

(charges négatives).

� Plus le temps d’intégration est grand, plus il y a de photons, plus le nombre de charges augmente. Si le temps d’intégration est trop grand, les charges se dispersent vers les photosites voisins créant un phénomène d’éblouissement (blooming).


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Le transfert

� En modifiant les tensions aux bornes de chaque photosite, la position des puits est modifiée et les charges se déplacent.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Le transfert parallèle-série� Les cellules de la matrice sont couplées verticalement et toutes les

lignes verticales sont transférées en parallèle dans un registre à décalage de lecture très rapide.


1 2 3

4 5 6

7 8 9

Zone sensible

Registre àdécalage

1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6 1 2 3

Le transfert parallèle-série

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Ce type de capteur nécessite un obturateur électronique permettent de réinitialiser tous les photosites dans un état sans charge et maintenir la zone photosensible dans l'obscurité pendant les opérations de transfert.

� Ces dispositifs conviennent aux applications pour lesquelles le temps d’exposition est important. Ils sont peu utilisés dans les applications vidéo.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Le transfert de trames� C’est un transfert ligne par ligne vers une zone équivalente mais

protégée de la lumière par un film opaque.


1 2 3

4 5 6

7 8 9

Zone sensible

Zone masquée

1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Le transfert de trame

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Toute la surface du photosite reste éclairée (taux de remplissage

maximum) , ce qui offre au capteur un maximum de sensibilité.

� Pendant le temps de transfert, les photosites du haut de l’image continuent à être éclairés par la scène et des charges parasites sont ajoutées créant le phénomène de trainage vertical (smearing). Afin d’atténuer le nombre de charges parasites, il faut augmenter le temps d’intégration.


blooming et smearing

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Technologie également utilisée pour des applications à faible luminosité, à temps d’intégration élevé ou pour scène statique.


Capteur à transfert de trames

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Le transfert interligne� La zone de transfert se trouve cette fois entre les colonnes.

� Quelques microsecondes suffisent pour déplacer les charges.

� Pendant le transfert, une nouvelle étape d’intégration peut commencer.

� Plus de phénomène de smearing.


1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Le transfert interligne

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� Le taux de surface photosensible (taux de remplissage) est nettement réduit, ce qui entraîne une réduction de la sensibilité.

� Le temps d’intégration est moindre à cause de la plus faible surface à éclairer.

� Des lentilles convergentes sur chaque photosite permettent d’orienter les rayons lumineux vers la zone photosensible et augmenter la sensibilité.

� Technologie utilisée pour des applications nécessitant des temps d’intégration faible comme des scènes en mouvement rapide.


Capteur à transfert interligne

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CCD

� L’amplification

� Dans la zone tampon (masquée), les charges sont transférées dans un registre à décalage vers l’extérieur du capteur pour être converties en tension puis amplifiées et donner le signal analogique.


1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6

7 8 9

1 2 3

4 5 6

7 8 Ampli

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Balayage entrelacé et progressif

� Les caméras entrelacées� Afin de rendre la visualisation plus fluide (norme TV), l’image

est renouvelée par trame, une trame paire et une trame impaire (ce qui permet une seule zone de transfert pour les capteurs à transfert interligne et donc une meilleur sensibilité).

� Pas de problème pour les scènes statiques

� Si la scène ou la caméra sont en mouvement, les deux trames peuvent être décalées et un effet de contours dentelés se produit.

� Si, durant la durée d’une trame, l’objet a trop bougé par rapport à la précision souhaitée, l’image sera floue.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Il faut utiliser une seule trame.


Trame1 + Trame 2 = Image Reconstituée

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Les caméras progressives (progressive scan)

� Les deux trames sont acquises en même temps.

� Le phénomène de contours dentelés n’apparaît plus.

� On parle d’image « full frame ».


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Comparaison entrelacée / progressive


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CMOS

� Définition

� CMOS : Complementary Metal Oxide Semi-conductor

� Principe

� Mêmes principes physiques que les capteurs CCD.

� Ils utilisent une technologie CMOS standard moins coûteuse que les CCD.


Capteur CMOS

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Le capteur CMOS

� Grâce a des transistors MOS placés sur chaque photosite et fonctionnant comme des interrupteurs, la conversion « électron-tension » est effectuée au niveau de chaque photosite.

� Grâce à l'intégration supplémentaire d'une logique d'amplification et d'obturation, l'image acquise est convertie immédiatement en information numérique contrairement au CCD qui doivent convertir l'information analogique pour devoir la convertir par la suite en information numérique.

� L’électronique directement intégrée sur le capteur génère un bruit supplémentaire, diminue la surface photosensible et réduit donc la sensibilité.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Comparaison CCD / CMOS


CMOS

• Possibilité de lire des zones de la matrice (fenêtrage)

• Compact• Faible consommation• Coût

CCD

• Qualité d’images élevée• Bruit très faible• Haute sensibilité

Av

an

tag

es

Inco

nv

én

ien

ts • Bruit• Peu sensible à faible

luminosité

• Saturation à haute luminosité• Pas de possibilité de fenêtrage

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les caméras mono-CCD

� Principe

� Réseau de filtres colorés entrelacés sur les photosite d’une matrice CCD


Matrice CCD

Filtrescolorés

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les caméras mono-CCD

� Différents réseaux de filtres


Filtre colonne Filtre de Bayer Filtre de Rockwell

Réseau de filtre

de Bayer réel

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les caméras tri-CCD

� Principe

� Trois capteurs CCD

� Système à base de prismes et de filtres dichroïques permettant de répartir la lumière selon des longueurs d’ondes courtes, moyennes et grandes


Matrices CCD

Prismes

Capteur tri-CCD

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Réponses spectrales


Sensibilité spectrale de la caméra tri-CCD Sony DXC-755P

380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1


Abs

orpt

ion

(san

s un

ité)

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Comparaison mono-CCD / tri-CCD


Mono-CCD

• Prix• Taille du capteur

Tri-CCD

• Pas de perte de résolution• Pas d’aberrations

chromatiques

Av

an

tag

es

Inco

nv

én

ien

ts • Perte de résolution et technique d’interpolation

• Aberrations chromatiques• Gamut

• Prix élevé• Gamut

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Comparaison mono-CCD / tri-CCD


Mono-CCD

Tri-CCD

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Balance des blancs

� Problématique

� Un objet blanc (ou noir) dans la scène réelle doit donner un objet blanc (ou noir) dans l’image correspondante indépendamment de l’éclairage afin d’obtenir un rendu correct des couleurs.

� Nécessité d’ajuster les composante rouge, verte et bleue les unes par rapport aux autres afin qu’un blanc de référence corresponde aux valeurs maximales des composantes couleur.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Balance des blancs

� Principe

� La balance des blancs est l’opération qui permet ce calibrage en agissant indépendamment sur les gains à appliquer sur chaque composante couleur.

� Elle peut être réalisée manuellement ou automatiquement.

� Pour une caméra monochrome, on agit sur le gain et l’offset de la caméra.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caméra analogique

� Principe� Elle délivre un signal analogique (monochrome ou couleur).

� Elle nécessite donc d’utiliser une carte d’acquisition afin d’obtenir une image numérique.

� Le signal vidéo répond souvent à différentes normes de télévision analogiques mais peut être également non standard :� 1 canal : signal monochrome ou couleur

composite généré par modulation

� 2 canaux : luminance et chrominancesont séparées (norme S-VHS)

� 3 canaux R, V et B


Une caméra analogique

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caméra analogique


Standard monochrome CCIR EIA (RS170)

Norme

européenne

Norme

américaine

Espace couleur YUV YIQ

Fréquence trame 50 Hz 60 Hz

Nombre de lignes 625 525

Durée d’une ligne 64 µs 63,5 µs

Fréquence ligne 15,625 kHz 15,750 kHz

Standard couleur PAL / SECAM NTSC

Durée d’un trame 20 ms 16,667 ms

Les standards vidéos analogiques

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caméra numérique

� Principe

� L’image est numérisée par la caméra.

� La carte d’acquisition stocke l’image en mémoire, transfert les signaux et gère des entrées / sorties.

� Le traitement est réalisé par la carte ou le PC.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Caméra intelligente

� Principe

� Le traitement est réalisé par la caméra.

� Il n’y a plus de cartes d’acquisition.


Une caméra intelligente

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Cartes d’acquisition

� Rôle des cartes d’acquisition (frame grabber)

� Le multiplexage des entrées

� La séparation du signal de synchronisation et du signal d’information (pixel)

� La numérisation (pour les caméras analogiques)� L’échantillonnage

� La quantification

� Parfois le traitement

� Le stockage

� Le transfert

� L’affichage



Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Autres entrées / sorties

� Entrées� Triggers

� Encodeurs (codeur incrémental)

� Entrées utilisateurs TTL ou opto-couplés

� Sorties� Stroboscope

� Sorties utilisateurs TTL ou opto-couplés


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

L’image numérique

� Définition

� C’est une matrice de points images (Pixels : Picture Element)

� Chaque pixel est caractérisé dans l’image par :� Ses coordonnées,

� Son niveau de gris.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire



Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire



480 × 640

480400

320240

16080

0

640560

480400

320240

16080

0

0326496

128160192224256

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� L’échantillonnage

� C’est l’opération qui permet de revenir à la représentation capteur en prélevant au signal le nombre d’échantillons nécessaires à intervalles réguliers.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� L’échantillonnage

� C’est l’opération qui permet de revenir à la représentation capteur en prélevant au signal le nombre d’échantillons nécessaires à intervalles réguliers.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� Repliement du spectre (aliasing, effet de moiré)


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� Théorème de Shannon


2d

s ≤

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


480 × 640 240 × 320

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


120 × 160 60 × 80

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


30 × 40 15 × 20

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� La quantification� C’est l’opération qui consiste à coder sous forme binaire les

valeurs prélevées lors de l’échantillonnage. Le signal ainsi quantifié est une suite de valeurs numériques manipulables par le processeur.

� La quantification consiste à spécifier le nombre de bits nécessaires (en général 8 bits) pour représenter le signal� 1 bit => 2 niveaux : 0 (noir), 1 (blanc) (image binaire)

� 2 bits => 4 niveaux : (0)10 = (00)2 (noir), (1)10 = (01)2 (gris foncé), (2)10 = (10)2 (gris clair), (3)10 = (11)2 (blanc)

� 8 bits => 256 niveaux : 0 (noir), …, 255 (blanc)

� 12, 16, 32 bits…

� N bits => 2N niveaux : 0 (noir), …, 2N-1 (blanc)


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


128 niveaux256 niveaux

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


32 niveaux64 niveaux

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


8 niveaux16 niveaux

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation


2 niveaux4 niveaux

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� Codage couleur : les pixels d’une image couleur sont caractérisés par :� leurs coordonnées,

� leurs niveaux de rouge (R), de vert (V) et de bleu (B).


R R R G G G B B B

Organisation en couleur

R R RG G G BBB

Organisation en pixel

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Numérisation

� Tailles de images

� C’est le nombre de bits nécessaires à son codage� Image noir et blanc 256 × 256 codée sur 8 bits => 65 536 octets

= 64 ko

� Image noir et blanc 512 × 512 codée sur 8 bits => 256 ko

� Image noir et blanc 512 × 512 codée sur 12 bits => 384 ko

� Image couleur 512 × 512 codée sur 8 bits => 768 ko

� Taille d’une image en octet, avec :

o Npixel, nombre de pixels

o Ncodage, niveau de quantification

o Ncouleur :

1 si image monochrome

3 si image couleur


8

couleurcodagepixel NNNTaille

××=

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Traitement

� Prétraitements

� Avant de transférer les données dans la mémoire image, certaines cartes offrent la possibilité de les modifier par l'intermédiaire d'une table de transformation (LUT : Look Up Tables) qui est stockée dans des mémoires additionnelles. La valeur du pixel est alors prise comme un indice d'entrée de la table et la valeur correspondante est alors transférée dans la mémoire image.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Traitement

� Traitements

� Quelques opérations élémentaires plus complexes peuvent également être programmées sur la carte (correction d’éclairage, décalage spatiale, …).

� Autres

� Les traitements très complexes sont réalisés par le processeur et la mémoire du PC.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Traitement


00

01

02

3

4

127

128

254

255

0

0

0

255

255

255Image numérisée Image stockée

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Interfaces numériques

� Le transfert

� Certaines images ont déjà un format numérique car elles proviennent d'un capteur numérique ou ont déjà été pré-traitées par le système de capture. Pour ces images, les cartes possèdent une interface numérique parallèle et série qui shunte le convertisseur.

� Standards numériques� Numérique – parallèle : LVDS, RS-422

� USB

� IEEE 1394 (FireWire)

� CameraLink

� Gigabit Ethernet et GigE Vision


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Interfaces numériques


Les interfaces numériques

USB 2.0 0,48 5 127

Format Débit (Gbits/s) Distance (m) Nombre caméra

IEEE 1394

(Firewire)

0,4 (1394a)0,8 (1394b)

4,5 (1394a)100 (1394b)

63

Camera Link

2,38 (Base)4,76 (Medium)

7,14 (Full)10 1

GigE

Vision1 100 illimité

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les caméras matricielles

� Area-scan camera

� Les éléments photosensibles sont organisés en matrice


Capteurs matricielsMatrice

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les caméras matricielles

� Modes d’acquisition

� Synchrone (Live Video)� Les images sont acquises en séquence au rythme de la fréquence

image.

� Asynchrone (Snapshot)� L’acquisition des images est déclenchée par un signal externe (trigger)

relié à la carte d’acquisition ou directement à la caméra.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Précision ou résolution spatiale

� Définition

� La précision ou résolution spatiale d’un système de vision représente la distance (en millimètre) observé par 1 pixel dans une direction donnée.

� La précision P est définie en fonction de la taille δ du plus petit élément à observer (ou à détecter).

� Le choix d’une caméra matricielle dépend de la précision Psouhaitée. Plus l’application demande de la précision (pour un δ donné), plus la résolution R (nombre de pixels du capteur ou définition) doit être grande.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Précision ou résolution spatiale

� Facteur de sécurité : � Afin d’assurer une bonne perception visuelle, on impose un facteur de

sécurité S au moins égale à 2 (théorie de Shannon).


Plus petit élément

à observer Cas idéal Cas critique

S

δP =⇒

Facteur de sécurité

δ

S pixels

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Définition

� Le champ de vision est la surface Hx × Hy observée par le capteur.

� Il dépend de :� Longueur et largeur maximale Lx × Ly des objets à contrôler toute série

confondue

� Marges supplémentaires si nécessaire

� Nombre, position et orientation des objets


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision


Ly

Lx

Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Translation verticale


Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Translation horizontale


Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Rotation


Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Homothétie


Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Perspective


Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Champ de vision

� Quantité


Hy

Hx

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Calcul de la résolution

� Principaux paramètres dimensionnels à prendre en compte

� Le champ à visualiser, Hx × Hy

� Longueur et largeur maximale des objets à contrôler toute série confondue Lx × Ly

� Taille du plus petit élément à visualiser, δx × δy

� Facteur de sécurité, S

� Résolution du capteur Rx × Ry

� Taille du capteur Cx × Cy


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Règle de trois (produit en croix, règle de proportionnalité)


(pixel)(mm) Sδ →

P

HR =⇒

(pixel)(mm) RH →

δ

HSR

×=⇒

(pixel)1(mm) →P

RδSH ×=×⇒

RPH ×=⇒Image

Rx

Hx

Ry

δx

δyS

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� La résolution doit être déterminée dans les deux sens (horizontal et vertical).

� Généralement, la précision souhaitée selon l’axe des abscisses est identique à celle souhaitée selon l’axe de ordonnées : δx = δy = δ.

� La définition de la résolution conditionne le nombre de caméras, leurs positions et leurs orientations.

� Application numérique :� δ = 1 mm

� S = 3

� H = 10 cm et H = 1 m


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Calcul du temps d’exposition

� Produits en défilement continu

� Nécessité d’exposer le capteur pendant un temps minimum

� Si le capteur est exposé pendant un déplacement, il se crée alors un effet de flou de bougé dans l’image acquise

� Exemple :


Image statique

Le véhicule se déplace de

gauche à droite et d’arrière

en avant.

L’éclairage est continu.

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire



Images du véhicule en déplacement sous un éclairage continu

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Pour éviter ce phénomène et afin d’obtenir une image nette, plusieurs solutions sont envisageables pour « geler » le mouvement de la pièce :� Arrêter le produit un bref instant pendant l’acquisition de l’image (flux

discontinu), ce qui n’est pas toujours compatible avec les contraintes de cadence de production.

� Réduire le temps d’intégration de la caméra, ce qui n’est pas toujours suffisant lorsque la vitesse de défilement est grande et la précision du système de vision est importante.

� Utiliser un éclairage stroboscopique pour réduire la durée de l’exposition afin d’émettre un flash de lumière d’une durée très faible avec une intensité très forte.

� Exemple : éclairage stroboscopique d’un véhicule en déplacement


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire



Images du véhicule en déplacement sous un éclairage stroboscopique

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Calcul du temps d’exposition maximum

� Notations� Soit V, la vitesse de défilement du produit à inspecter.

� Soit Δt, le temps d’exposition à ne pas dépasser garantissant une image nette.

� Soit Δp, le seuil de perception du flou de bougé en pixel. Il défini le déplacement maximum du produit à inspecter en fonction de la précision P du système de vision, c’est à dire la taille δ du plus petit élément observable par un pixel. En général Δp est compris entre 1/2 et 1/5 de pixel.

� Cela signifie que le produit en défilement ne doit pas se déplacer de plus de Δp pixels pendant le temps Δt, soit en millimètres, de P × Δp

mm pour que l’image ne soit pas floue.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire



V(sec)Δ)mm(Δ tpP →×

(sec)1)mm( →V

V

pPt

ΔΔ

×=⇒

Δp

t t + Δttemps (sec)

P

Application numérique :Δp = 1/5,V = 1 m/s,P = 1 mm/pixel.

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Calcul de la fréquence image

� Cadence de production maximale

� Notations� Soit t, le temps séparant l’apparition de deux objets à contrôler

(temps de cycle). t correspond alors au temps disponible à

l’acquisition et au traitement de l’image.

� Soit F, la fréquence d’acquisition des images : F = 1 / t.

� Soit d, la distance séparant deux objets consécutifs.Pour une cadence de production maximale d est égale au champ de

vision de la caméra.

� Soit V, la vitesse de défilement


(sec))mm( td →

(sec)1)mm( →V t

dV =⇒

d

V

tF == 1

⇒

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Les caméras linéaires

� Line-scan camera

� Correspond à une seule ligne d’un capteur matriciel

� Utilise le principe du scanner, photocopieur ou fax

� Permet une haute résolution (de 2000 à 12000 pixels)

� Permet des fréquences d’acquisition très élevées (fréquence pixel de 1 à 40 Mhz sur plusieurs voies)


Capteurs linéaires

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Type d’application

� Produit en défilement continu (tôle, verre plat, textile, papier, bois,…),

� Produit de forme circulaire ou cylindrique,

� Produit de grande dimension.


Développé d’un cylindreDéveloppé d’un disque

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire



Contrôle de produit en

défilement continuContrôle d’objets en continu

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Modes d’acquisition

� Synchrone (Web)� Les images-lignes sont acquises successivement et stockées dans la

mémoire de la carte d’acquisition en nombre fini.

� Asynchrone� L’acquisition des images-lignes est déclenchée et éventuellement

stoppée par un signal externe (trigger). Les images-lignes successivement acquises sont stockées dans la mémoire de la carte d’acquisition.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire


� Caméra linéaire couleur

� Caméra tri-CCD

� Caméra mono-CCD et réseau de filtres couleur entrelacés

� Caméra tri-linéaire :


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Résolution

� Définitions

� Deux résolutions sont à déterminer, la résolution transversale qui correspond au calcul précédent et qui détermine le nombre de pixels nécessaire pour obtenir une précision souhaitée PT et la résolution longitudinale qui est déterminée par la précision PL que l’on souhaite obtenir dans le sens du défilement à la vitesse V du produit à inspecter avec un facteur de sécurité S.

� La résolution longitudinale correspond à une fréquence F(nombre d’acquisitions par seconde) et répond à la question : tous les combien de secondes faut-il faire une acquisition pour obtenir la précision souhaitée ?


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Principe d’acquisition


Augmentation de V ou diminution de F

V

F

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Calcul de la fréquence ligne


(lignes)(mm) Sδ →

(sec)1(mm) →V

LP

V

δ

VSF =×=⇒

(lignes)F→

S

V

F

direction longitudinale

δ

Dir

ect

ion

axi

ale

TP

HR =⇒

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Calcul de la fréquence ligne

� Application numérique :

� δ = 1 mm

� S = 3

� V = 10 m/mn

� Remarque :

� On utilise parfois la fréquence pixel plutôt que la fréquence

ligne. Par exemple, une caméra linéaire de 2048 pixels et de fréquence pixel égale à 5 MHz possède une fréquence ligne d’environ 2400 Hz :


40625,24412048

1

50000001

=×

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Utilisation d’un codeur incrémental

� Problématique

� La taille du plus petit élément δ dans le sens du défilement dépend de la vitesse. Si la vitesse varie au cours du défilement, la précision varie également.

� Afin de disposer d’une précision indépendante de la vitesse, on utilise un codeur incrémental qui déclenche l’acquisition des images-lignes. Ce codeur, couplé à l’arbre moteur entrainant le convoyeur, envoi N impulsions à la caméra pour un déplacement de Δd mm du convoyeur.

� Quelque soit la vitesse, le même nombre d’images-lignes est acquis par tour de codeur effectué.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Calcul de la résolution du codeur


(lignes)(mm) Sδ →

(lignes)(mm)Δ Nd →

LP

d

δ

dSN

ΔΔ =×=⇒

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Déclenchement des acquisitions

� Signal de déclenchement d’acquisition des images-lignes sans codeur

� La caméra génère son propre signal de déclenchement en mode « free running ».

� La carte génère un signal de déclenchement interne de fréquence réglable par l’utilisateur et commande la caméra. Le temps d’exposition est, soit définie par la durée de l’impulsion générée par la carte, soit réglée sur la caméra.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Déclenchement des acquisitions

� Signal de déclenchement d’acquisition des images-lignes avec codeur

� La carte génère un signal de déclenchement identique au signal du codeur incrémental auquel elle est reliée,

� La carte génère un signal de déclenchement ré-échantillonné en fonction du signal provenant du codeur incrémental auquel elle est reliée. Ce ré-échantillonnage permet d’opérer à des fréquences d’acquisition différentes que celles délivrées par le codeur incrémental. La caméra peut également travailler en mode free running à sa fréquence maximale.


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Vitesse maximale

� Calcul de la vitesse maximale

� La caméra possédant une fréquence d’acquisition maximale Fmax, la vitesse de déplacement du produit défilant sous la caméra est limitée à Vmax afin que toutes les images-lignes soient acquises.


)mm((sec)1(lignes) maxmax VF →→

(mm)Δ(lignes) dN →

N

dFV

Δmaxmax

×=⇒

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Cas d’un objet en rotation


Ω

Φ

(sec)60(mm)Φ →×π

60

ΦΩ ××= πV⇒

(sec)1(mm) →V

LP

π

δ

πSF

×××=

××××=

60

ΦΩ

60

ΦΩ⇒

LP

π

δ

πSN

ΦΦ ×=××=⇒

Avec un codeur (Δd = π×Φ) :

N

πFV

Φmaxmax

××=⇒

)mn(1(tour)Ω →

dir

ect

ion

tra

nsv

ers

ale

direction longitudinale

H

Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Principaux fabricants de caméras

� Atmel

� Basler

� Dalsa

� I2S

� JAI - Pulnix

� Lord Ingénierie

� Tattile

� Toshiba - Teli

� Sony


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Cartes et caméras intelligentes

� Bitflow

� Cognex

� Data translation

� Euresys

� I2S

� Matrox

� National Instrument


Monochrome /


Vision

humaine

Analogique /

numérique

Matricielle /

linéaire

Documents

Cours Vision Chapitre3