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ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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1 ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Contenu du cours 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 (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 d’un détecteur ESE22 :Formation, capture et restitution des images

2 ESE22 :Formation, capture et restitution des images
Systèmes d’imagerie Bilans de Portées ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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

4 Chaine Image Optique Détecteur
S o u r c e capteur visuel observateur scène 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 l’image Système de visualisation ESE22 :Formation, capture et restitution des images

5 Contenu Modélisation d’une scène Modélisation d’un capteur
réflexion des sources naturelles de rayonnement lien entre réflexion et rayonnement solaire propagation atmosphérique bilan photométrique Modélisation d’un capteur sensibilité et résolution stabilisation optique détecteur visualisation observateur notion de fréquence spatiale notion de FTM ESE22 :Formation, capture et restitution des images

6 Contenu Dimensionnement d’un capteur
repliement de spectre allocation sensibilité – résolution dimensionnement de l’optique et du détecteur Évaluation des performances (« bilan de portée »)‏ bilan photométrique de la scène figures de mérite d’un équipement bilan de portée ESE22 :Formation, capture et restitution des images

7 1. Modélisation d’une scène
D’ou vient la luminance d’un objet ? Quelle est l’énergie perçue par le capteur ? sources naturelles éclairement du ciel et nuages éclairement du soleil ou lune objet albédo émissivité x transmission luminance réfléchie x transmission + luminance thermique capteur + luminance de l’atmosphère température atmosphère termes réflectifs termes thermiques termes atmosphériques ESE22 :Formation, capture et restitution des images

8 1.2 Réflexion des sources naturelles de rayonnement
Li() Ei()‏ LR()‏ E: Eclairement (W/m² ou Lux) Li , LR : Luminances incidente et réfléchie (W/(sr . m²) ou Cd/m²) BRDF: Bidirectionnal reflectance distribution function Modèle lambertien Modèle spéculaire Modèle générique coef. de Fresnel albédo BRDF surface diffusante surface polie surface quelconque ESE22 :Formation, capture et restitution des images

9 Albedo varie avec: matériau, état surface, orientation, ….
Albedo (coefficient de réflexion) et longueur d’onde Albedo varie avec: matériau, état surface, orientation, …. ESE22 :Formation, capture et restitution des images 9

10 Albedo (coefficient de réflexion) et longueur d’onde
Changements rapides des Valeurs d’albédos de nombreux corps entre 700 et 750 nm pouvant entraîner des inversions de contrastes ESE22 :Formation, capture et restitution des images

11 Image proche-infrarouge
Albedo (coefficient de réflexion) et longueur d’onde Image visible (450nm <  < 700nm Image proche-infrarouge (PIR:  > 700nm ) ESE22 :Formation, capture et restitution des images 11

12 Albedo (coefficient de réflexion) et longueur d’onde
Visible couleur Visible SWIR:1-1.7 µm 12

13 1.4 Propagation atmosphérique
atmosphère absorption diffusion rayonnement thermique atténuation du rayonnement de la scène (Tatm)‏ superposition à la scène d’un flux parasite (Latm)‏ rayonnement scène (cible/fond)‏ gains par diffusion atmosphère scène gains par rayonnement pertes par absorption capteur pertes par diffusion ESE22 :Formation, capture et restitution des images

14 1.4 Propagation atmosphérique
Soleil Atmosphère Lumière solaire diffusée Sources de bruit électrique Réflexion solaire Émission propre de l’atmosphère Détecteur Fond Électronique Rayonnement diffusé Rayonnement atteignant le système Pupille d’entrée optique de focalisation Rayonnement absorbé Source Rayonnement non collecté par le système Éléments atténuant ou déformant le signal ESE22 :Formation, capture et restitution des images

15 1.4 Propagation atmosphérique
La lumière est diffusée et absorbée par les molécules de l’air. Auxquelles s’ajoutent, dans les basses couches de l’atmosphère: fumées pollution poussières gouttelettes d’eau brouillard ESE22 :Formation, capture et restitution des images

16 1.4 Propagation atmosphérique
L’absorption dépent de: humidité, température, concentration en aerosols Influence de l’humidité wavelength (µm)‏ wavelength (µm)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

17 1.4 Propagation atmosphérique
Influence de la temperature ESE22 :Formation, capture et restitution des images

18 1.4 Propagation atmosphérique
Influence de la visibilité (aérosols)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

19 Propagation atmospherique
1.5 Bilan photométrique Calcul de l’énergie (luminance) arrivant en entrée pupille du capteur : Propagation atmospherique Reflexion solaire (fonction de la distance)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

20 2. Modélisation d’un 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 Sensibilité et résolution
Avec l’éloignement, 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 l’œil, sa capacité à distinguer un contraste entre un objet et le fond. Avec l’éloignement, 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 l’œil, sa capacité à séparer les objets. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

22 Sensibilité et résolution
Résolution typique de l’oeil Pouvoir de résolution : env.1min d’arc Champ de visibilité à bonne résolution < 2° (120min d’arc) Vue de 10/10ème R  1’ d’arc Vue de 14/10ème R  0.7’ d’arc ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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

24 Sensibilité et résolution
capteur bien dimensionné problème d ’échantillonnage problème de réponse impulsionnelle problème de sensibilité ESE22 :Formation, capture et restitution des images

25 collection et focalisation
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 d’un imageur. optique sensibilité résolution collection et focalisation du flux de scène introduction d’un flux indésirable réponse impulsionnelle ouverture transmission transmission imparfaite longueur d’onde diamètre pupille aberrations ESE22 :Formation, capture et restitution des images

26 Optique – Contribution à la sensibilité
Collection et focalisation du flux de scène : pupille d’entrée plan focal (emplacement du détecteur)‏ luminance transmise (LxTopt)‏ luminance de la scène (L)‏ éclairement sur le détecteur E = L x Topt x  focale Principales caractéristiques : Diamètre de la pupille (Dpup)‏ Transmission du système optique (Topt)‏ Focale (f ')‏ Ouverture (N = f ' / Dpup)‏ Aberrations optiques ESE22 :Formation, capture et restitution des images

27 Optique – Contribution à la sensibilité
Ouverture du système optique et sensibilité ouverture angle solide l’éclairement est 16 fois plus faible N = 1 (f/1) (f‘ = Dpup) optique ouverte N = 4 (f/4) (f‘ = 4Dpup) optique fermée ESE22 :Formation, capture et restitution des images

28 Optique – Contribution à la sensibilité
Eclairement détecteur à maximiser N petit (système ouvert)‏ Topt grand Contribution à l’augmentation du contraste cible/ fond: (Ecible – Efond)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

29 Optique – Contribution à la résolution
Quelle que soit la qualité d’un système optique, l’image d’un point est toujours une tâche L’origine physique de ce phénomène est : la diffraction Plan image Optique circulaire diamètre de la tâche Onde lumineuse incidence monochromatique plane Lentille focalisation Image diffraction tache d’Airy ESE22 :Formation, capture et restitution des images

30 Optique – Contribution à la résolution
Propriétés de la tache d’Airy exemples de diamètre en fonction de la longueur d’onde : N diamètre dans le plan focal (Airy)‏ 84% de l’énergie à l’intérieur du premier anneau ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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

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

33 2.3 Détecteur – Contribution à la sensibilité
Conversion de la lumière en courant électrique pitch surface totale du pixel (pitch²)‏ en bleu, surface sensible du pixel (Ad)‏ Fill Factor (FF) : pixel éclairement (W/m²)‏ E courant (A)‏ I = F x R(A/W) = E x Ad x R(A/W) flux (W)‏ F = E x Ad ESE22 :Formation, capture et restitution des images

34 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 capacité courant électrique (A)‏ I nombre d ’électrons N = I x Ti / q q = charge d ’un électrons (q = 1.6•10-19 C)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

35 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 ()‏ L’énergie d ’un photon dépend de sa longueur d ’onde : (joules)‏ « les photons du visible ont plus d’énergie que les photons de l ’infrarouge » ESE22 :Formation, capture et restitution des images

36 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 : (nombre de photons par seconde)‏ Le nombre d ’électrons en sortie d ’un pixel recevant le flux F est donc : (nombre d ’électrons par seconde)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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

38 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 d’intégration bruits constants intrinsèques au détecteur bruits dépendants du temps d’intégration bruit photonique bruit courant d ’obscurité bruit de lecture ESE22 :Formation, capture et restitution des images

39 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 l’image de deux points proches. On suppose que l’optique permet de résoudre les deux points (la pupille est assez grande). 3 matrices différentes font l ’acquisition de l ’éclairement dans le plan focal. les résultats sont les suivants : objets bien résolus limite de résolution objets non résolus ESE22 :Formation, capture et restitution des images

40 Stabilisation La ligne de visée d’un imageur est généralement stabilisé. Sur des porteurs aéroportés ou terrestres en mouvement, il subsiste malgré tout des résidus de vibrations composés d’un spectre de fréquences variés (vibrations basses, moyennes et hautes fréquences). Pendant les temps d’intégration typiques des détecteurs (quelques ms), on considère que les vibrations ont un spectre gaussien autour d’une 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 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 d’un afficheur ne sont pas toujours réglés de façon optimale en conditions opérationnelles (dans un avion, le pilote ne peut pas prendre le temps d’optimiser les réglages)‏ en conditions opérationnelles, il n’est pas rare que le soleil éclaire le moniteur et dégrade fortement les contrastes sur la résolution échantillonnage : la résolution des moniteurs n’est 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 l’image. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

42 Observateur L’observateur est l’élément finale de chaîne image.
Situé à quelques dizaines de centimètres du moniteur, ses yeux observent l’image présentée et contribuent à la sensibilité et à la résolution de la chaîne image : sur la résolution : l’œil humain a une certaine résolution (dépendante des conditions d’illumination), typiquement 1’ d’arc, qui peut empêcher la discrimination des détails les plus fins si la distance écran-œil est trop grande ou si l’écran est trop petit. pour limiter ces pertes, il faut maximiser la dimension des moniteurs, ou encore utiliser des zooms électroniques pour agrandir l’image présentée à l’œil. sur la sensibilité : l’œil humain (et le cerveau) intègre temporellement et spatialement les informations qui lui sont présentées afin d’améliorer sa sensibilité. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

43 Observateur Intégration temporelle
Le temps d’intégration de l’oeil peut être approximé entre 0.1 et 0.2 seconde La video issue du senseur est présentée à l’opérateur à une fréquence de 50Hz Durant l’observation, le cerveau de l’opérateur intègre jusqu’à 10 images La sensibilité de la vidéo est ainsi améliorée d’un facteur sqrt(N)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

44 Observateur Intégration spatiale
Le cerveau de l’opérateur peut combiner des pixels adjacents et ainsi améliorer le rapport signal/bruit perçu Un modèle pour prendre en compte cet effet subjectif: Le nombre d’échantillons 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 Observateur Coefficient global (oeil-cerveau)
Integration spatiale et temporelle eye : constante d’intégration de l’oeil Fimage : Fréquence image Ncy nombre de cycles sur la cible ESE22 :Formation, capture et restitution des images

46 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 Notion de fréquence spatiale
Espaces objet et plan focal Lorsqu’on décrit la fréquence spatiale d’un objet vu depuis le capteur, on l’exprime en nombre de cycles (périodes) par unité d’angle (cycles/rad ou cycles/mrad)‏ 1 rad 3 cycles/rad Lorsqu’on décrit la fréquence spatiale de l’image d’un objet sur le plan focal, on l’exprime en nombre de cycles (périodes) par unité de longueur (cycles/m ou cycles/ mm ou paire de lignes/mm)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

48 Fonction de Transfert de Modulation
Notion de FTM Fonction de Transfert de Modulation (FTM)‏ Un imageur filtre les fréquences spatiales. Puisque l ’image d’un 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 ses variations sont atténuées par la PSF.
Notion de FTM valeur max valeur min Si les variations de la sinusoïde sont trop fines par rapport à la PSF, ses variations sont atténuées par la PSF. A Convolution par la PSF * B ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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

51 FTM globale d’un capteur
La FTM globale d’un capteur est le produit des FTM des différents sous-ensemble de la chaîne image ESE22 :Formation, capture et restitution des images

52 FTM optique Diffraction MTF exemple : Dpup = 100 mm, N=4, =4 µm or
avec or (cy/mrad)‏ (cy/mm)‏ exemple : Dpup = 100 mm, N=4, =4 µm Dans le plan objet Dans le plan détecteur fc fc = Fréquence de coupure: modulation nulle‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

53 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 FTM du détecteur Le moyennage spatial local par un pixel supposé carré de l’image formée par l’optique sur le détecteur peut être modélisé par une FTM de type sinus cardinal : dans l’espace objet : f en cy/rad dans le plan focal : f en cy/m (cy/rad)‏ fc (cy/m)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

55 FTM de stabilisation Pendant le temps d’intégration, la ligne de visée vibre autour d’une direction moyenne avec une statistique considérée gaussienne d’écart-type stab (typiquement, quelques µrad). f en cy/rad ESE22 :Formation, capture et restitution des images

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

57 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 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 Traduction d’un besoin opérationnel
Des standards appelés STANAG ont été introduits par l’OTAN 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 3.1 Niveaux de discrimination
Detection : un objet est présent Reconnaissance : classement de l’objet (homme, camion, char...)‏ Identification : L’objet 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 l’opérateur C’est une mesure très subjective Detection Reconnaissance Identification “ Je vois quelque chose! “ “ Probablement un char! “ “ C’est un T62 ! “ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

61 3.1 Discrimination methodology
Niveau de discrimination SUBJECTIF CRITERES De JOHNSON Besoins techniques QUANTITATIF ESE22 :Formation, capture et restitution des images

62 3.1 Johnson criterion J. Johnson : ingénieur de l’US Army
Criteres initialement developés pour les intensificateurs d’image, en 1958. Base actuelle des standards pour l’industrie, pour tous systèmes et bandes spectrales (vis & IR). Approche : pattern de barres representant la cible Un niveau de discrimination observateur cible La cible est discriminée si le pattern de barres est discriminé (discrimination des barres) Pattern de barres Équivalent à la cible ESE22 :Formation, capture et restitution des images

63 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

64 3.1 Dimensions du pattern de barres
dimension du pattern de barres est la racine carrée de la surface apparente de la cible Cible réelle Surface apparente = S Pattern de barres La surface apparente depend de la presentation de la cible front 45 deg side ESE22 :Formation, capture et restitution des images

65 3.1 Nombre de barres Le nombre de barres depend de: detection 1 cycle
Du niveau discrimination : detection, reconnaissance ou identification probabilité de discrimination : pour un niveau de discrimination, proportion d’observateurs capables de discriminer la cible Johnson a travaillé avec un panel d’observateurs et de cibles pour determiner empiriquement le nombre de barres. Nombre de cycles(*) pour une probabilité de 50% detection 1 cycle reconnaissance 3 cycles identification 6 cycles (*) un cycle est une paire de barres (1 noire + 1 blanche)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

66 3.1 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 3.1 Exemple pattern de barres équivalent
detection reconnaissance identification 50% probability 1 3 6 cycles 95% probability 2 6 12 cycles ESE22 :Formation, capture et restitution des images 2,3 m

68 3.1 Fréquence spatiale dans l’espace objet
Le nombre de cycle et la dimension du pattern de barres détermine la fréquence spatiale Fréquence spatiale basse Fréquence spatiale élevée 12 cycles in 2,3 m f = 5,22 cy/m 1 cycle in 2,3 m f = 0,43 cy/m Nombre de cycles dans 1 metre L = dimension du pattern de barres N = nombre de cycles du pattern (en cycles/metre)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

69 3.1 Fréquence spatiale dans l’espace observateur
Les fréquences spatiales sont souvent exprimées dans l’espace observateur L N cycles vus dans un angle  D L = dimension du pattern de barres N = nombre de cycles du pattern D = distance entre le pattern et l’observateur Nombre de cycles dans 1 radian (en cycles/rad)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

70 Contrast du pattern de barres en bande visible
Reflectance de la cible Reflectance du fond Cible et fond n’ont 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 3.1 Contrast du pattern de barres et  concept
Pour mener l’analyse, une difference réflectance () entre cible et fond doit être définie Pour les bandes visibles 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 ESE22 :Formation, capture et restitution des images

72 3.2 Figures de mérite Objectifs
Définir les grandeurs permettant d’exprimer de manière quantifiée : la sensibilité d’un capteur la résolution d’un capteur sa performance globale (incluant sensibilité et résolution)‏ Evaluer la performance de l’imageur dans une mission de DRI, c’est à dire ses portées de Détection, Reconnaissance et Identification. La portée est la plus grande distance permettant la réalisation d’une mission (avec une probabilité fixée). ESE22 :Formation, capture et restitution des images

73 3.2.1 Mesures de la sensibilité
Les mesures de la sensibilité d’un 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 d’utilisation 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 l’écart-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 3.2.1 Remarques sur NEP Le NEP est la caractéristique du capteur complet (avec optique et détecteur). Il est dépendant des conditions d’utilisation (temps d’intégration, 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 3.2.2 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 s’annule = 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 3.2.2 Fréquence de Nyquist La théorie de l’échantillonnage des signaux indique (théorème de Shannon) que pour échantillonner un signal de telle sorte qu’il soit reconstructible, il est nécessaire de l’échantillonner 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 d’échantillonnage est mal échantillonnée (c’est à dire que les échantillons obtenus ne représentent rien, ils ne sont pas interprétables). ESE22 :Formation, capture et restitution des images

77 3.2.2 Fréquence de Nyquist Fréquence de Nyquist et FTM
fréquence d’échantillonnage = fréquence de coupure (fc)‏ fréquence de Nyquist (fn)‏ fréquences sous-échantillonnées (“aliasées”)‏ domaine des fréquences exploitables pour la DRI Dans le plan focal (cycles/m)‏ Dans l’espace objet (cycles/rad)‏ ESE22 :Formation, capture et restitution des images

78 MRC : Minimum Resolvable Contrast
(toute bande spectrale)‏ 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

79 3.3 MRC Le raisonnement ayant conduit à la définition de la MRC est le suivant : pour « voir » la modulation d’une 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, l’observateur 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 l’opérateur. ESE22 :Formation, capture et restitution des images

80 3.3 MRC [W/m²/sr] K(f) : coefficient d’intégration spatiale et temporelle de l’œil. SNRth : seuil de sensibilité visuelle standardisé à 2,25 NEP : dépend de la luminance de scène ESE22 :Formation, capture et restitution des images

81 3.3 Allure de la MRC L résolvable = MRC spatial frequency
Avec la baisse de FTM, L en entrée Doit augmenter pour que la modulation Puisse être détectée L résolvable = MRC spatial frequency ESE22 :Formation, capture et restitution des images

82 3.3 Changement de variable de la MRC
La MRC, à l’instar 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 l’on travaille dans le plan focale ou dans l’espace objet. Dans l’espace 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 3.4 Évaluation de portée L MRC L MRC
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). fn fn L MRC L MRC L>MRC L<MRC distance distance range range portée limitée par la résolution portée limitée par la sensibilité ESE22 :Formation, capture et restitution des images

84 3.5 Allocation sensibilité / résolution
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 design 1 focus on sensitivity design 2 focus on resolution Dr x Tatm très bonne météo météo standard resolvable  météo dégradée limites de résolution (Nyquist)‏ 10 km distance ESE22 :Formation, capture et restitution des images

85 3.5 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 l’ifov donc la résolution si focale varie proportionnellement -> ne change ni la sensibilité ni la résolution ! augmenter le temps d’intégration limité par la capacité d’intégration limité par la fréquence d’acquisition 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 l’ouverture (N plus grand), pas bon pour la sensibilité ESE22 :Formation, capture et restitution des images


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