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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) Caractérisation des images.

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1 1 MF Audier – Avril 2009 Contenu du cours ESE22 : Formation, capture et restitution des images mardi 07 avril 2009 (8h h15) 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 (8h h15) 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 dun détecteur

2 2 MF Audier – Avril 2009 Systèmes dimagerie ESE22 : Formation, capture et restitution des images

3 3 MF Audier – Avril 2009 Objectifs imagerie passive Détection, Reconnaissance, Identification visuelle observation en temps réel via une visualisation Applicable à toutes bandes spectrales (visible, PIR, IR2, IR3) Estimer les performances opérationnelles (portées) dun équipement dimagerie Dimensionner un équipement dimagerie ESE22 :Formation, capture et restitution des images

4 4 MF Audier – Avril 2009 Chaine Image ESE22 :Formation, capture et restitution des images Optique Collectrice de flux Détecteur Absorbe les photons et génère des électrons puis les convertit en tension Unités de traitement et de mise en forme de limage Système de visualisation

5 5 MF Audier – Avril 2009 Contenu 1.Modélisation dune scène réflexion des sources naturelles de rayonnement lien entre réflexion et rayonnement solaire propagation atmosphérique bilan photométrique 1.Modélisation dun capteur 1. sensibilité et résolution 2. stabilisation 3. optique 4. détecteur 5. visualisation 6. observateur 7. notion de fréquence spatiale 8. notion de FTM ESE22 :Formation, capture et restitution des images

6 6 MF Audier – Avril 2009 Contenu 1.Dimensionnement dun capteur 1. repliement de spectre 2. allocation sensibilité – résolution 3. dimensionnement de loptique et du détecteur 2.Évaluation des performances (« bilan de portée ») 1. bilan photométrique de la scène 2. figures de mérite dun équipement 3. bilan de portée ESE22 :Formation, capture et restitution des images

7 7 MF Audier – Avril Modélisation dune scène luminance réfléchiex transmission + luminance de latmosphère capteur atmosphère objet + luminance thermiquex transmission albédo émissivité température éclairement du soleil ou lune éclairement du ciel et nuages sources naturelles termes réflectifstermes thermiquestermes atmosphériques Dou vient la luminance dun objet ? Quelle est lénergie perçue par le capteur ? ESE22 :Formation, capture et restitution des images

8 8 MF Audier – Avril Réflexion des sources naturelles de rayonnement Modèle lambertienModèle spéculaireModèle générique surface polie surface quelconque surface diffusante albédo coef. de Fresnel BRDF X L i ( ) E i ( ) L R ( ) ESE22 :Formation, capture et restitution des images E: Eclairement (W/m² ou Lux) L i, L R : Luminances incidente et réfléchie (W/(sr. m²) ou Cd/m²) BRDF: Bidirectionnal reflectance distribution function

9 9 MF Audier – Avril 2009 Albedo (coefficient de réflexion) et longueur donde Albedo varie avec: matériau, état surface, orientation, …. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

10 10 MF Audier – Avril 2009 ESE22 :Formation, capture et restitution des images Albedo (coefficient de réflexion) et longueur donde Changements rapides des Valeurs dalbédos de nombreux corps entre 700 et 750 nm pouvant entraîner des inversions de contrastes

11 11 MF Audier – Avril 2009 Image visible (450nm < < 700nm Albedo (coefficient de réflexion) et longueur donde ESE22 :Formation, capture et restitution des images Image proche-infrarouge (PIR: > 700nm )

12 12 MF Audier – Avril 2009 Visible couleurVisible SWIR:1-1.7 µm Albedo (coefficient de réflexion) et longueur donde

13 13 MF Audier – Avril Propagation atmosphérique atmosphère atténuation du rayonnement de la scène (T atm ) superposition à la scène dun flux parasite (L atm ) absorption diffusion rayonnement thermique capteur rayonnement scène (cible/fond) pertes par diffusion gains par diffusion pertes par absorption gains par rayonnement scène atmosphère T° ESE22 :Formation, capture et restitution des images

14 14 MF Audier – Avril Propagation atmosphérique Atmosphère Sources de bruit électrique Détecteur Électronique Pupille dentrée optique de focalisation Éléments atténuant ou déformant le signal Fond Source Soleil Lumière solaire diffusée Réflexion solaire Émission propre de latmosphère Rayonnement diffusé Rayonnement absorbé Rayonnement atteignant le système Rayonnement non collecté par le système ESE22 :Formation, capture et restitution des images

15 15 MF Audier – Avril Propagation atmosphérique La lumière est diffusée et absorbée par les molécules de lair. ESE22 :Formation, capture et restitution des images Auxquelles sajoutent, dans les basses couches de latmosphère: fumées pollution poussières gouttelettes deau brouillard

16 16 MF Audier – Avril Propagation atmosphérique Labsorption dépent de: humidité, température, concentration en aerosols Influence de lhumidité wavelength (µm) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

17 17 MF Audier – Avril Propagation atmosphérique Influence de la temperature ESE22 :Formation, capture et restitution des images

18 18 MF Audier – Avril Propagation atmosphérique Influence de la visibilité (aérosols) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

19 19 MF Audier – Avril Bilan photométrique Calcul de lénergie (luminance) arrivant en entrée pupille du capteur : Reflexion solaire Propagation atmospherique (fonction de la distance) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

20 20 MF Audier – Avril Modélisation dun capteur Notion de sensibilité et résolution Optique Détecteur Stabilisation Visualisation Observateur Notion de fréquence spatiale Notion de FTM FTM des sous-ensembles de la chaîne image ESE22 :Formation, capture et restitution des images

21 21 MF Audier – Avril 2009 Sensibilité et résolution Avec léloignement, les deux points ci-dessus apparaîtront confondus à partir d une certaine distance, même en augmentant le contraste des points par rapport au fond. La limite est fixée par la résolution de lœil, sa capacité à séparer les objets. Avec léloignement, le point ci-dessus ne sera plus visible à partir d une certaine distance. En augmentant son contraste par rapport au fond, il réapparaîtra. La limite est fixée par la sensibilité de lœil, sa capacité à distinguer un contraste entre un objet et le fond. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

22 22 MF Audier – Avril 2009 Sensibilité et résolution ESE22 :Formation, capture et restitution des images Résolution typique de loeil Pouvoir de résolution : env.1min darc Champ de visibilité à bonne résolution < 2° (120min darc) Vue de 10/10 ème R 1 darc Vue de 14/10 ème R 0.7 darc

23 23 MF Audier – Avril 2009 Facteurs de Sensibilité et résolution performance / qualité image résolution sensibilité échantillonnage réponse impulsionnelle optique ouverture transmission température bande spectrale détecteur pas (pitch) optique focale détecteur réponse bruits surface pixel temps d intégration numérisation optique pupille aberrations bande spectrale stabilisation détecteur dimension zone sensible ifov ESE22 :Formation, capture et restitution des images

24 24 MF Audier – Avril 2009 Sensibilité et résolution capteur bien dimensionné problème d échantillonnage problème de réponse impulsionnelle problème de sensibilité ESE22 :Formation, capture et restitution des images

25 25 MF Audier – Avril 2009 Optique Le système optique focalise le flux de la scène sur le détecteur (sur le plan focal). Il contribue à la résolution et à la sensibilité dun imageur. optique sensibilité résolution collection et focalisation du flux de scène introduction dun flux indésirable ouverture transmission imparfaite réponse impulsionnelle longueur donde diamètre pupille aberrations ESE22 :Formation, capture et restitution des images

26 26 MF Audier – Avril 2009 Optique – Contribution à la sensibilité luminance de la scène (L) focale luminance transmise (LxT opt ) pupille dentrée plan focal (emplacement du détecteur) éclairement sur le détecteur E = L x T opt x Principales caractéristiques : Diamètre de la pupille (D pup ) Transmission du système optique (T opt ) Focale (f ') Ouverture (N = f ' / D pup ) Aberrations optiques Collection et focalisation du flux de scène : ESE22 :Formation, capture et restitution des images

27 27 MF Audier – Avril 2009 Optique – Contribution à la sensibilité Ouverture du système optique et sensibilité N = 1 (f/1) (f = D pup ) optique ouverte N = 4 (f/4) (f = 4D pup ) optique fermée léclairement est 16 fois plus faible ouverture angle solide ESE22 :Formation, capture et restitution des images

28 28 MF Audier – Avril 2009 Optique – Contribution à la sensibilité Eclairement détecteur à maximiser N petit (système ouvert) T opt grand Contribution à laugmentation du contraste cible/ fond: (E cible – E fond ) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

29 29 MF Audier – Avril 2009 Optique – Contribution à la résolution limage dun point est toujours une tâche Quelle que soit la qualité dun système optique, Lorigine physique de ce phénomène est : la diffraction diamètre de la tâche Optique circulaire Onde lumineuse incidence monochromatique plane Lentille focalisation Image diffraction Plan image tache dAiry ESE22 :Formation, capture et restitution des images

30 30 MF Audier – Avril 2009 Optique – Contribution à la résolution Propriétés de la tache dAiry diamètre dans le plan focal ( Airy ) 84% de lénergie à lintérieur du premier anneau exemples de diamètre en fonction de la longueur donde : N ESE22 :Formation, capture et restitution des images

31 31 MF Audier – Avril 2009 Optique – Contribution à la résolution scène optique images de chaque objet les deux objets sont résolus limite de résolution des objets objets non résolus éclairement total plan focal ESE22 :Formation, capture et restitution des images

32 32 MF Audier – Avril 2009 Détecteur détecteur sensibilité résolution conversion de la lumière en courant sources de bruits surface sensible réponse temps d intégration bruit photonique bruit de lecture courant d obscurité... réponse impulsionnelle pas d échantillonnage (pitch) Le détecteur capture léclairement sur le plan focal, le transforme en courant et l intègre dans le temps. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

33 33 MF Audier – Avril Détecteur – Contribution à la sensibilité pitch surface totale du pixel (pitch²) en bleu, surface sensible du pixel (Ad) Fill Factor (FF) : Conversion de la lumière en courant électrique éclairement (W/m²) 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

34 34 MF Audier – Avril 2009 Détecteur – Contribution à la sensibilité Intégration temporelle du courant Le courant électrique généré par un pixel charge une capacité pendant une durée appelée temps d intégration (ou durée d exposition) A la fin de l intégration, la capacité contient un nombre d électrons proportionnel au temps d intégration (Ti) proportionnel à l éclairement sur le plan focal courant électrique (A) I nombre d électrons N = I x Ti / q capacité q = charge d un électrons (q = C) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

35 35 MF Audier – Avril 2009 Détecteur – Contribution à la sensibilité Conversion des photons en électrons 2e méthode flux lumineux (W)électrons Cette fois, la capacité de conversion de la lumière du détecteur est caractérisée par un rendement quantique ( ) Lénergie d un photon dépend de sa longueur d onde : (joules) « les photons du visible ont plus dénergie que les photons de l infrarouge » ESE22 :Formation, capture et restitution des images

36 36 MF Audier – Avril 2009 Détecteur – Contribution à la sensibilité Conversion des photons en électrons 2e méthode (suite) Un flux lumineux F, en Watts (Joules/s), à la longueur d onde, dépose chaque seconde le nombre d électrons suivant : Le nombre d électrons en sortie d un pixel recevant le flux F est donc : (nombre de photons par seconde) (nombre d électrons par seconde) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

37 37 MF Audier – Avril 2009 Détecteur – Contribution à la sensibilité Conversion des photons en électrons synthèse Lien entre réponse électrique et rendement quantique : ou ESE22 :Formation, capture et restitution des images

38 38 MF Audier – Avril 2009 Détecteur - Contribution à la sensibilité Le courant sortant d un détecteur est bruité : par le bruit photonique par le bruit du courant d obscurité par le bruit de lecture de la capacité d intégration autres... détecteur bruits dépendants - du flux lumineux - du temps dintégration bruits dépendants du temps dintégration bruits constants intrinsèques au détecteur bruit photoniquebruit courant d obscurité bruit de lecture ESE22 :Formation, capture et restitution des images

39 39 MF Audier – Avril 2009 Détecteur – Contribution à la résolution Le détecteur contribue à la résolution d un capteur de part la dimension de ses pixels. Soit un capteur réalisant limage de deux points proches. On suppose que loptique permet de résoudre les deux points (la pupille est assez grande). objets bien résolus limite de résolutionobjets non résolus 3 matrices différentes font l acquisition de l éclairement dans le plan focal. les résultats sont les suivants : ESE22 :Formation, capture et restitution des images

40 40 MF Audier – Avril 2009 Stabilisation La ligne de visée dun imageur est généralement stabilisé. Sur des porteurs aéroportés ou terrestres en mouvement, il subsiste malgré tout des résidus de vibrations composés dun spectre de fréquences variés (vibrations basses, moyennes et hautes fréquences). Pendant les temps dintégration typiques des détecteurs (quelques ms), on considère que les vibrations ont un spectre gaussien autour dune valeur moyenne, caractérisé par un écart-type de vibration exprimé en µrad. Selon leurs amplitudes, les résidus de vibrations peuvent dégrader la résolution en étalant la PSF du capteur. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

41 41 MF Audier – Avril 2009 Visualisation Les moniteurs, afficheurs à cristaux liquides ou OLED intervenant dans la chaîne image ont un impact sur la résolution et la sensibilité. sur la sensibilité : le contraste et la luminosité dun afficheur ne sont pas toujours réglés de façon optimale en conditions opérationnelles (dans un avion, le pilote ne peut pas prendre le temps doptimiser les réglages) en conditions opérationnelles, il nest pas rare que le soleil éclaire le moniteur et dégrade fortement les contrastes sur la résolution échantillonnage : la résolution des moniteurs nest pas toujours adaptée à la taille des images générées par le capteur : des ré- échantillonnage (mise au format vidéo…) sont nécessaires et dégradent la qualité des images PSF : le spot des écrans à tube cathodique a un certain étalement qui peut contribuer à gommer certains détails initialement contenus dans limage. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

42 42 MF Audier – Avril 2009 Observateur Lobservateur est lélément finale de chaîne image. Situé à quelques dizaines de centimètres du moniteur, ses yeux observent limage présentée et contribuent à la sensibilité et à la résolution de la chaîne image : sur la résolution : lœil humain a une certaine résolution (dépendante des conditions dillumination), typiquement 1 darc, qui peut empêcher la discrimination des détails les plus fins si la distance écran-œil est trop grande ou si lécran est trop petit. pour limiter ces pertes, il faut maximiser la dimension des moniteurs, ou encore utiliser des zooms électroniques pour agrandir limage présentée à lœil. sur la sensibilité : lœil humain (et le cerveau ) intègre temporellement et spatialement les informations qui lui sont présentées afin daméliorer sa sensibilité. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

43 43 MF Audier – Avril 2009 Observateur Intégration temporelle Le temps dintégration de loeil peut être approximé entre 0.1 et 0.2 seconde La video issue du senseur est présentée à lopérateur à une fréquence de 50Hz Durant lobservation, le cerveau de lopérateur intègre jusquà 10 images La sensibilité de la vidéo est ainsi améliorée dun facteur sqrt(N) ESE22 :Formation, capture et restitution des images

44 44 MF Audier – Avril 2009 Observateur Intégration spatiale Le cerveau de lopérateur peut combiner des pixels adjacents et ainsi améliorer le rapport signal/bruit perçu Un modèle pour prendre en compte cet effet subjectif: Le nombre déchantillons moyennés par le cerveau = le nombre de pixels contenus dans une barre de la mire équivalente à la cible (f in cy/rad) Nombre de pixels par barre décroissant Mais signal et bruit inchangés: -> seule la perception change ! ESE22 :Formation, capture et restitution des images

45 45 MF Audier – Avril 2009 Observateur Coefficient global (oeil-cerveau) Integration spatiale et temporelle eye : constante dintégration de loeil F image : Fréquence image Ncy nombre de cycles sur la cible ESE22 :Formation, capture et restitution des images

46 46 MF Audier – Avril 2009 Notion de fréquence spatiale FOURIER a démontré que toute forme peut se décomposer comme une somme de sinusoïdes de périodes et amplitudes différentes. En modélisation optique, on remplace un objet par les sinusoïdes qui le composent. La fréquence d une sinusoïde est appelée fréquence spatiale. Une grande fréquence spatiale représente des variations spatiales très franche (sur une courte longueur) et une faible fréquence spatiale représente des variations spatiales étendues (sur une grande longueur). On représente la performance d un capteur par sa capacité à imager des sinusoïdes, en fonction de leur fréquence. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

47 47 MF Audier – Avril 2009 Notion de fréquence spatiale Espaces objet et plan focal Lorsquon décrit la fréquence spatiale dun objet vu depuis le capteur, on lexprime en nombre de cycles (périodes) par unité dangle (cycles/rad ou cycles/mrad) Lorsquon décrit la fréquence spatiale de limage dun objet sur le plan focal, on lexprime en nombre de cycles (périodes) par unité de longueur (cycles/m ou cycles/ mm ou paire de lignes/mm) 1 rad 3 cycles/rad ESE22 :Formation, capture et restitution des images

48 48 MF Audier – Avril 2009 Notion de FTM Fonction de Transfert de Modulation (FTM) Un imageur filtre les fréquences spatiales. Puisque l image dun point est une tache, plus une fréquence spatiale est élevée, plus un capteur en fait une image dégradée. La FTM est une fonction de la fréquence spatiale, qui indique la dégradation introduite par le capteur lorsqu il image une sinusoïde. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

49 49 MF Audier – Avril 2009 Notion de FTM Si les variations de la sinusoïde sont trop fines par rapport à la PSF, ses variations sont atténuées par la PSF. * B A ESE22 :Formation, capture et restitution des images valeur max valeur min Convolution par la PSF

50 50 MF Audier – Avril 2009 Notion de FTM Forme typique de FTM fréquence de la mire A fréquence de la mire B Image d un créneau avec cette FTM B A ESE22 :Formation, capture et restitution des images

51 51 MF Audier – Avril 2009 FTM globale dun capteur La FTM globale dun capteur est le produit des FTM des différents sous-ensemble de la chaîne image ESE22 :Formation, capture et restitution des images

52 52 MF Audier – Avril 2009 FTM optique Diffraction MTF exemple : D pup = 100 mm, N=4, =4 µm Dans le plan objetDans le plan détecteur avec or (cy/mrad)(cy/mm) fc = Fréquence de coupure: modulation nulle fc ESE22 :Formation, capture et restitution des images

53 53 MF Audier – Avril 2009 FTM optique La MTF optique est rarement à la limite imposée par la diffraction Une MTF réelle est généralement légèrement dégradée par divers défauts A : MTF de diffraction B – D : MTF degradèe ESE22 :Formation, capture et restitution des images

54 54 MF Audier – Avril 2009 FTM du détecteur Le moyennage spatial local par un pixel supposé carré de limage formée par loptique sur le détecteur peut être modélisé 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

55 55 MF Audier – Avril 2009 FTM de stabilisation Pendant le temps dintégration, la ligne de visée vibre autour dune direction moyenne avec une statistique considérée gaussienne décart-type stab (typiquement, quelques µrad). f en cy/rad ESE22 :Formation, capture et restitution des images

56 56 MF Audier – Avril 2009 FTM de l opérateur (œil) La FTM de lœil dépend des conditions de luminosité ambiante qui conditionne la dilatation de la pupille de lœil. lum est la luminosité du moniteur (typiquement 10 à 100 cd/m²) avec ESE22 :Formation, capture et restitution des images

57 57 MF Audier – Avril 2009 Dimensionnement et évaluation de performances Dimensionner un capteur c est définir les caractéristiques principales des sous- ensembles (optique, détecteur, visualisation…) du capteur. c est trouver le bon compromis entre sensibilité et résolution en fonction des missions demandées au capteur. il n y a pas de dimensionnement générique. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

58 58 MF Audier – Avril 2009 Dimensionnement et évaluation de performances Expression technique d un besoin opérationnel critères de Johnson Les figures de mérite de la performance contraste apparent : L sensibilité : NEP résolution : FTM, fréquence de Nyquist performance globale : MRC évaluation de la portée Dimensionnement, optimisation des performances allocation sensibilité / résolution allocation optique / détecteur choix de la bande spectrale ESE22 :Formation, capture et restitution des images

59 59 MF Audier – Avril 2009 Traduction dun besoin opérationnel Des standards appelés STANAG ont été introduits par lOTAN pour normaliser et permettre une formalisation technique des besoins opérationnels. Dans le domaine de la détection, reconnaissance et identification de cibles (DRI), la base des standards internationaux est le critère de Johnson, qui propose de représenter les cibles (bâtiment, véhicule…) sous la forme de mires dont les caractéristiques standardisées dépendent de la cible représentée et de la mission de DRI. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

60 60 MF Audier – Avril Niveaux de discrimination Detection : un objet est présent Reconnaissance : classement de lobjet (homme, camion, char...) Identification : Lobjet est discerné avec suffisamment de clarté pour en spécifier le type dans sa classe (Leclerc, M-60, T-52, ami / ennemi) Le niveau de discrimination dépend de lopérateur Cest une mesure très subjective Detection Reconnaissance Identification Je vois quelque chose! Probablement un char! Cest un T62 ! ESE22 :Formation, capture et restitution des images

61 61 MF Audier – Avril Discrimination methodology Niveau de discrimination Besoins techniques SUBJECTIF QUANTITATIF CRITERES De JOHNSON ESE22 :Formation, capture et restitution des images

62 62 MF Audier – Avril Johnson criterion J. Johnson : ingénieur de lUS Army Criteres initialement developés pour les intensificateurs dimage, en Base actuelle des standards pour lindustrie, pour tous systèmes et bandes spectrales (vis & IR). Approche : pattern de barres representant la cible Un niveau de discrimination La cible est discriminée si le pattern de barres est discriminé (discrimination des barres) observateurcible Pattern de barres Équivalent à la cible ESE22 :Formation, capture et restitution des images

63 63 MF Audier – Avril 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

64 64 MF Audier – Avril Dimensions du pattern de barres dimension du pattern de barres est la racine carrée de la surface apparente de la cible Surface apparente = SCible réellePattern de barres La surface apparente depend de la presentation de la cible front side 45 deg ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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 probabilité de discrimination : pour un niveau de discrimination, proportion dobservateurs capables de discriminer la cible Johnson a travaillé avec un panel dobservateurs et de cibles pour determiner empiriquement le nombre de barres. Nombre de cycles ( * ) pour une probabilité de 50% ESE22 :Formation, capture et restitution des images

66 66 MF Audier – Avril Probabilité de discrimination Johnson a determiné empiriquement une loi donnant le nombre de cycles nécessaires pour obtenir un niveau de discrimination avec une probabilité donnée. Cette loi est appelée TTPF : Target Transfer Probability Function N50 est le nombre de cycles pour une probabilité de 50% ESE22 :Formation, capture et restitution des images

67 67 MF Audier – Avril 2009 ESE22 :Formation, capture et restitution des images 3.1 Exemple pattern de barres équivalent 50% probability 95% probability detection reconnaissance identification cycles 12 cycles 2,3 m

68 68 MF Audier – Avril Fréquence spatiale dans lespace objet Le nombre de cycle et la dimension du pattern de barres détermine la fréquence spatiale Fréquence spatiale basse Fréquence spatiale élevée 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

69 69 MF Audier – Avril Fréquence spatiale dans lespace observateur Les fréquences spatiales sont souvent exprimées 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

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 réflectance uniforme. On considère une réflectance moyenne. Les signatures de cible et fond sont très dépendentes des conditions environmentales. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

71 71 MF Audier – Avril Contrast du pattern de barres et concept Reflectance du fond Reflectance de la cible Réflectances de cible et de fond sont definies en accord avec le scenario (climat, cible et fond materiaux, exposition solaire) et avec la bande spectrale utilisée Pour mener lanalyse, une difference réflectance ( ) entre cible et fond doit être définie Pour les bandes visibles ESE22 :Formation, capture et restitution des images

72 72 MF Audier – Avril Figures de mérite Objectifs Définir les grandeurs permettant dexprimer de manière quantifiée : la sensibilité dun capteur la résolution dun capteur sa performance globale (incluant sensibilité et résolution) Evaluer la performance de limageur dans une mission de DRI, cest à dire ses portées de Détection, Reconnaissance et Identification. La portée est la plus grande distance permettant la réalisation dune mission (avec une probabilité fixée). ESE22 :Formation, capture et restitution des images

73 73 MF Audier – Avril Mesures de la sensibilité Les mesures de la sensibilité dun capteur imageur expriment de différentes manières le plus petit signal discernable avec le capteur, en regard du bruit généré par celui-ci, dans des conditions dutilisation données. Quelle que soit la bande spectrale : le NEP signifie Noise Equivalent Power représente la plus faible différence de flux (en Watts), au niveau du plan focal du capteur, que le capteur peut distinguer (signal de même amplitude que lécart-type de bruit). dépend de la luminance moyenne de la scène observée. Plus le capteur est sensible, plus la valeur de ces mesures est faible. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

74 74 MF Audier – Avril Remarques sur NEP Le NEP est la caractéristique du capteur complet (avec optique et détecteur). Il est dépendant des conditions dutilisation (temps dintégration, luminance moyenne de la scène observée). Il ne faut pas le confondre avec le NEP du détecteur seul, indiqué dans les datasheets des détecteurs. Le NEP du capteur complet est généralement moins bon (plus grand) que le détecteur seul. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

75 75 MF Audier – Avril Mesures de la résolution La FTM de la chaîne image (stabilisation + optique + détecteur + moniteur + observateur) est une bonne mesure de la résolution. Elle indique la plus grande fréquence spatiale discernable par le capteur (celle où la FTM sannule = fréquence de coupure). La véritable limite de résolution du capteur ne correspondant pas à la fréquence de coupure de la FTM mais à une fréquence deux fois plus faible appelée fréquence de Nyquist. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

76 76 MF Audier – Avril Fréquence de Nyquist La théorie de léchantillonnage des signaux indique (théorème de Shannon) que pour échantillonner un signal de telle sorte quil soit reconstructible, il est nécessaire de léchantillonner avec une fréquence supérieure à deux fois la plus grande fréquence présente dans le signal échantillonné. Autrement dit, toute fréquence présente dans le signal, supérieure à ½ fois la fréquence déchantillonnage est mal échantillonnée (cest à dire que les échantillons obtenus ne représentent rien, ils ne sont pas interprétables). ESE22 :Formation, capture et restitution des images

77 77 MF Audier – Avril Fréquence de Nyquist Fréquence de Nyquist et FTM fréquence déchantillonnage = fréquence de coupure (fc) fréquences sous-échantillonnées (aliasées) fréquence de Nyquist (fn) Dans le plan focal (cycles/m)Dans lespace objet (cycles/rad) domaine des fréquences exploitables pour la DRI ESE22 :Formation, capture et restitution des images

78 78 MF Audier – Avril MRC La MRC est la figure de mérite du capteur combinant les aspects sensibilité et résolution. sensibilité NEP résolution FTM sensibilité et résolution MRC ESE22 :Formation, capture et restitution des images MRC : Minimum Resolvable Contrast (toute bande spectrale)

79 79 MF Audier – Avril MRC Le raisonnement ayant conduit à la définition de la MRC est le suivant : pour « voir » la modulation dune certaine fréquence spatiale, il faut que son amplitude soit supérieure au bruit. cette modulation est atténuée par la FTM donc si une modulation m arrive sur le détecteur, lobservateur perçoit une modulation m*FTM qui doit être supérieure au niveau de bruit. La MRC représente la plus faible différence de luminance (W/m²/sr) en entrée pupille perceptible par lopérateur. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

80 80 MF Audier – Avril MRC K(f) : coefficient dintégration spatiale et temporelle de lœil. SNR th : seuil de sensibilité visuelle standardisé à 2,25 NEP : dépend de la luminance de scène [W/m²/sr] ESE22 :Formation, capture et restitution des images

81 81 MF Audier – Avril Allure de la MRC spatial frequency L résolvable = MRC Avec la baisse de FTM, L en entrée Doit augmenter pour que la modulation Puisse être détectée ESE22 :Formation, capture et restitution des images

82 82 MF Audier – Avril Changement de variable de la MRC La MRC, à linstar de la FTM, est une fonction de la fréquence spatiale. Pour une mire bien définie selon les critères de Johnson (adaptée à une cible, une mission et une probabilité de réussite), on peut établir une relation bijective entre fréquence spatiale et distance, puisque : fréquence * dimension mire = nombre de cycles où dimension mire est une mesure angulaire ou métrique 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 fréquence de Nyquist a une distance équivalente : Dn = fn * largeur : Ncy ESE22 :Formation, capture et restitution des images

83 83 MF Audier – Avril Évaluation de portée La MRC(d) indique si un écart de luminance arrivant sur la pupille est perceptible. Pour déterminer une portée, il suffit de comparer à la MRC le contraste de luminance apparent de la mire équivalente à la cible ( L), en fonction de la distance. Attention, il convient de matérialiser sur le graphique la « distance de Nyquist » correspondant à la mission. La portée de doit pas dépasser cette distance (limite de résolution). distance L MRC range L >MRC L

84 84 MF Audier – Avril Allocation sensibilité / résolution distance resolvable x T atm 10 km design 2 focus on resolution design 1 focus on sensitivity limites de résolution (Nyquist) en rouge: design privilégiant la sensibilité, plus robuste à des mauvaises conditions météo en bleu : design privilégiant la résolution, permet de meilleures perfos si très bonne météo météo standard très bonne météo météo dégradée ESE22 :Formation, capture et restitution des images

85 85 MF Audier – Avril Allocation sensibilité / résolution Pour augmenter la sensibilité : ouvrir plus (N plus petit) si pupille augmente : bon aussi pour la résolution si focale diminue : pas bon pour la résolution augmenter la taille des pixels (Ad augmente) à focale constante, dégrade lifov donc la résolution si focale varie proportionnellement -> ne change ni la sensibilité ni la résolution ! augmenter le temps dintégration limité par la capacité dintégration limité par la fréquence dacquisition des images peut dégrader la FTM de stabilisation (basses fréquences de vibration) et donc la résolution Pour augmenter la résolution résolution optique (PSF) : agrandir la pupille bien pour tout le monde, mais limité par volume/masse/coût résolution détecteur : réduire la surface sensible pas bon pour la sensibilité échantillonnage (fréquence de Nyquist) : réduire la taille des pixels : pas bon pour la sensibilité allonger la focale : réduit louverture (N plus grand), pas bon pour la sensibilité ESE22 :Formation, capture et restitution des images


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