La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

ENSTA ESE 231 FORMATION, CAPTURE et RESTITUTION des IMAGES Première partie FORMATION et OBSERVATION Jean-Louis Meyzonnette, Ecole Supérieure dOptique.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "ENSTA ESE 231 FORMATION, CAPTURE et RESTITUTION des IMAGES Première partie FORMATION et OBSERVATION Jean-Louis Meyzonnette, Ecole Supérieure dOptique."— Transcription de la présentation:

1 ENSTA ESE 231 FORMATION, CAPTURE et RESTITUTION des IMAGES Première partie FORMATION et OBSERVATION Jean-Louis Meyzonnette, Ecole Supérieure dOptique

2 ENSTA ESE 232 PROGRAMME Introduction : la chaîne optronique en imagerie Caractérisation de la scène : grandeurs et relations radiométriques ; propriétés radiométriques des objets ; scènes initiale et apparente (influence du milieu de propagation) Loptique : paramètres géométriques : champ, ouverture; propriétés radiométriques ; résolution, FTM, réponse impulsionnelle Observation visuelle dune image : notion de contraste ; critères dobservation dimages sur moniteur

3 ENSTA ESE 233 CHAINE OPTRONIQUE ET ELEMENTS DE CONCEPTION

4 ENSTA ESE 234 DOMAINE DE L OPTIQUE Rayons X / optique / radar 0,02 0,4 0, ( m) Rayons UV visible très X proche proche moyen thermique lointain radar IR Équipements dimagerie infrarouge télévision Obs. visuelle

5 ENSTA ESE 235 CHAINE d IMAGERIE OPTRONIQUE Éléments constitutifs Scène : Objets fond atmosphère Stabilisation balayage Optique détecteur Traitements analogiques Traitements numériques Transmissions, enregistrement visualisation Système de navigation observateur

6 ENSTA ESE 236 MILIEU DE PROPAGATION En optronique, le milieu de propagation (atmosphère, eau) joue un rôle prépondérant dans la qualité de limage 3 effets : Atténuation du signal utile Création de rayonnements « parasites » (diffusion de la lumière ambiante, émission propre) Déformation des images (turbulence)

7 ENSTA ESE 237 EXEMPLE DE BLOC DIAGRAMME Système dimagerie télévision atmosphère. Absorption, diffusion, transmission spectrale optique pupille,focale, qualité dimage, transmission électronique Bande passante, facteur de bruit moniteur TV qualité moniteur observateur critères dobservation scène éclairage ambiant, objets et fonds Détecteur sensibilité spectrale, bruit propre

8 ENSTA ESE 238 MODELISATION / SIMULATION Évaluation théorique des performances : précision des mesures, probabilité de détection, taux de fausse alarme, contraste de limage, sensibilité thermique Modèle simulant le comportement de chaque sous-ensemble de la chaîne, ou « boite noire » définie par sa fonction de transfert : S N = f N (E N ) Sous-ensemble N Sous-ensemble N-1 Sous-ensemble N+1 SNSN ENEN fNfN

9 ENSTA ESE 239 RADIOMETRIE DEFINITIONS DE BASE

10 ENSTA ESE 2310 RADIOMETRIE / PHOTOMETRIE Définitions : photométrie = caractérisation des rayonnements perceptibles par lœil humain radiométrie : caractérisation des rayonnements électromagnétiques (X, UV, Visible, IR, radar,…) par extension, « photométrie » recouvre maintenant lensemble du domaine optique Radiométrie / photométrie Optique géométrique (rayons lumineux photons) + ondulatoire (interférences, diffraction)

11 ENSTA ESE 2311 FLUX LUMINEUX Définition : débit dun rayonnement (à spécifier : émis par une source, transmis par un composant, incident sur un détecteur,...) Trois expressions : Flux énergétique : débit dénergie F e (Watt) Flux photonique : débit de photons F p par unité de temps (s -1 ) Flux visuel : impression visuelle F v (lumen) exemples sourceAlim.FeFe FpFp FvFv lampe100 W90 W large Laser Nd-yag 100 W10 W ,06 m

12 ENSTA ESE 2312 INTENSITE de RAYONNEMENT (I) définition : Indicatrice dintensité (diagramme de rayonnement) Surface définie par lextrémité du vecteur I (u, v) sources isotropes (I = C te ), directionnelles source v u I(u,v) = F(u,v, ) / F (u,v, ) u v I (u, v) O

13 ENSTA ESE 2313 ANGLE SOLIDE ( Définition : langle solide sous lequel un objet est vu depuis un point est le rapport de laire de la calotte sphérique définie par son contour et le carré du rayon de la sphère (centrée au point considéré) Angle solide dun cône de demi angle au sommet : = 2 (1- cos ) Si petit : = 2 Si objet plan, petit / distance : = S cos d 2 S

14 ENSTA ESE 2314 LUMINANCE (L) Définition : Source étendue x y z Direction u,v Luminance en (x, y, z) dans la direction (u,v) = intensité du rayonnement dans la direction u,v par unité daire normale à cette direction, centrée au point de coordonnées x, y, z L(x,y,z,u,v) = dI (x,y,z,u,v) / dA cos d 2 F / dA cos d nsns d dA

15 ENSTA ESE 2315 ECLAIREMENT (E) dune SURFACE Définition : densité de flux incident par unité de surface x y E (x,y, z) = dF r / dA dA

16 ENSTA ESE 2316 ETENDUE GEOMETRIQUE (G) Définition (pinceau lumineux) : d 2 G = dS cos dScos / d 2 = dS cos d = dS cos d (unité : m 2 sr) dS d

17 ENSTA ESE 2317 GRANDEURS FONDAMENTALES grandeurUnités énergétiques Unités photoniques Unités visuelles flux Ws -1 Lumen (lm) Intensité W sr -1 s -1 sr -1 Candela (cd) luminance W m -2 sr -1 s -1 m -2 sr -1 Cd m -2 exitance W m -2 s -1 m -2 Lm m -2 éclairement W m -2 s -1 m -2 lux Qté de lumière J (énergie)Nb de photonsLm s exposition J m -2 Nb de photons m -2 Lux s

18 ENSTA ESE 2318 RADIOMETRIE RELATIONS DE BASE

19 ENSTA ESE 2319 FLUX et INTENSITE Rappel : I = dF / d F = I (u,v) F = I (u, v) d source F

20 ENSTA ESE 2320 FLUX et LUMINANCE d 2 F = L dA cos d d 2 F = L d 2 G d dA L

21 ENSTA ESE 2321 INTENSITE de SOURCE et ECLAIREMENT de SURFACE RECEPTRICE Flux incident sur lélément dA r dune surface réceptrice : dF r = I(u,v) d = I (u,v) dA r cos r / d 2 E = dF r / dA r = I (u,v) cos r / d 2 r source Surface réceptrice d dA r « Loi de Bouguer » I(u,v)

22 ENSTA ESE 2322 LUMINANCE de SOURCE et ECLAIREMENT de SURFACE RECEPTRICE Cas dun éclairage « dirigé » : nrnr Faisceau incident limité à un angle solide faible centré sur une direction F incident = L (u,v) G = L A R cos E = F incident / A R = L cos ARAR L

23 ENSTA ESE 2323 LUMINANCE de SOURCE et ECLAIREMENT de SURFACE RECEPTRICE Cas dun éclairage omnidirectionnel (hémisphérique) L (u,v) Contribution élémentaire en éclairement : dE r (u,v, d r ) = L(u,v) cos d Éclairement global : E = ½ espace L (u,v) cos d

24 ENSTA ESE 2324 RAYONNEMENTS LAMBERTIENS Définition : Rayonnement lambertien = rayonnement de luminance uniforme (constante quelle que soit la direction dobservation) Cest le cas de la lumière qui est réfléchie par des surfaces rugueuses, mates ( miroirs, surfaces optiques, polies) On montre que : Éclairage incident E L L = R E / Lumière réfléchie

25 ENSTA ESE 2325 RADIOMETRIE PROPRIETES SPECTRALES DES COMPOSANTS

26 ENSTA ESE 2326 PROPRIETES SPECTRALES Comportement des composants / source détecteur atmosphère Grandeur spectrale

27 ENSTA ESE 2327 SOURCES LUMINEUSES 2 types : incandescence et luminescence SourceExempleSpectreDiagramme IncandescenceCorps noirContinu largeLarge (Lambertien) Luminescence 1Diodes ELContinu étroitlarge Luminescence 2lasersTrès étroitétroit

28 ENSTA ESE 2328 GRANDEURS SPECTRALES (SOURCES) Spectre = répartition du rayonnement en fonction de la longueur donde Sources « monochromatiques » : valeur de la grandeur radiométrique G dintérêt (F,I,L,E) à la longueur donde démission (ex : laser de puissance 1 W à = 1, 06 m) Sources à spectre étendu : densité spectrale (dG/d de la grandeur dintérêt en fonction de ou grandeur spectrique (spectrale) dG/d d Contribution élémentaire dG entre et + d dG = (dG/d ) d G ( 1, 2 ) = (dG/d ) d

29 ENSTA ESE 2329 GRANDEURS SPECTRALES (COMPOSANTS OPTIQUES) Facteur spectral de réflexion, de transmission (régulière) (spéculaire) F inc ( ) F r R F r F inc F inc F r T = F t / F inc (

30 ENSTA ESE 2330 GRANDEURS SPECTRALES (DETECTEURS) Sensibilité (ou réponse) spectrale R i ( ) = i / F inc ( ) F inc ( ) détecteur Courant i Ri

31 ENSTA ESE 2331 RADIOMETRIE SOURCES PAR INCANDESCENCE : LE CORPS NOIR

32 ENSTA ESE 2332 CORPS NOIR Définitions générales Flux transmis Flux réfléchi Flux incident Flux absorbé Flux incident = flux réfléchi + Fux transmis + flux absorbé R( ) +T( ) + A( ) = 1 Conservation de lénergie

33 ENSTA ESE 2333 CORPS NOIR Matériau, surface, dont le facteur dabsorption spectral =100% pour toute longueur donde et angle dincidence Equilibre thermique : le CN réémet de façon lambertienne (luminance indépendante de la direction démission sur un large domaine spectral. Sa luminance spectrique dépend de sa température et de la longueur donde (loi de Planck) Sa luminance totale ne dépend que de sa température (loi de Stefan) Le rayonnement du CN nest pas polarisé

34 ENSTA ESE 2334 LOIS DU CORPS NOIR Loi de Planck : luminance spectrique (dL/d ) T CN = C 1 -5 / [exp (C 2 / T) – 1] Avec C 1 = 1, Wm -2 sr -1 m 4 et C 2 = 1, m K Loi de Stefan : luminance totale L CN (T) = K 3 T 4 avec K 3 = 1, W m -2 sr -1 K -4 Loi du déplacement de Wien : coordonnées du maximum m T = K 1 = 2898 m K et (dL/d ) ( m, T) = K 2 T 5 avec K 2 = W m -2 sr -1 m -1 K -5

35 ENSTA ESE 2335 CORPS NOIR : LOI DE PLANCK Luminance spectrique du CN (en Wm -2 sr -1 m -1 ) m

36 ENSTA ESE 2336 LUMINANCE SPECTRIQUE DU CN Loi de Planck Luminance Totale = K 3 T 4 dL e /d K T K2T5K2T5 m

37 ENSTA ESE 2337 LUMINANCE du CN à T ambiante Imagerie thermique Luminance spectrique (W m -2 sr -1 m -1 m 300K 305 K

38 ENSTA ESE 2338 CORPS NOIR A TEMPERATURE AMBIANTE (IMAGERIE THERMIQUE) Emission du corps noir variable en fonction de leur température Choix entre deux bandes spectrales : 3 à 5 et 8 à 12 m (fenêtres atmosphériques) Pour de faibles T T < quelques degrés) : L = (L/T) T Valeurs typiques (pour T = 290 K) : Bande spectrale 3 à 5 m8 à 12 m Rapport 8-12 / 3-5 Luminance W m- 2 sr -1 1,2832,425 L /T W m- 2 sr -1 K -1 0,0490,56211,5

39 ENSTA ESE 2339 LOI de KIRCHHOFF Emission thermique par les corps réels A chaque longueur donde, la luminance spectrique dun corps réel est proportionnelle à celle du corps noir de même température, et au facteur dabsorption du corps considéré à cette longueur donde. (dL/d ) T X = A( ) (dL/d ) T CN A( ) = facteur dabsorption spectral = émissivité spectrale, ( )

40 ENSTA ESE 2340 RADIOMETRIE EMISSION PROPRE ET DIFFUSION EN SURFACE

41 ENSTA ESE 2341 RAYONNEMENT GENERAL dun OBJET FORMALISME dL/d = ( ) [dL/d ] CN + ( / ) (dE/d ) Luminance totale = émission propre + réflexion en surface CONTRIBUTION PREPONDERANTE : émissionréflexion télévision X laser X Infrarouge 3/5 m XX Infrarouge 8/12 m X

42 ENSTA ESE 2342 SOURCES SECONDAIRES par REFLEXION Caractérisation dun objet en réflexion: * conditions déclairage (dirigé ou omnidirectionnel, à spectre : monochromatique ou large) *facteur de réflexion R ( ): pourcentage de flux réfléchi par lobjet à chaque longueur donde *propriétés angulaires de la lumière réfléchie : BRDF BRDF ( ) = L r (, ) / E i ( ) Éclairement incident E ( ) Luminance en réflexion L r objet E L = E/ Diffuseur parfait

43 ENSTA ESE 2343 SURFACES SPECULAIRES La lumière réfléchie par une surface « spéculaire » suit les lois de loptique géométrique Surfaces strictement spéculaires : surfaces polies optiquement (miroirs, lentilles, vitres, hublots, etc) Surfaces quasi-spéculaires : peintures satinées, vernis, surfaces humides, peu rugueuses Surface spéculaire L r R sp L i R sp = facteur de réflexion spéculaire de la surface LiLi LrLr Lobe étroit autour du spéculaire Spéculaire + diffus large

44 ENSTA ESE 2344 SURFACES DIFFUSES La lumière réfléchie par une surface diffuse (ou mate) couvre un angle solide large La luminance en réflexion dun diffuseur lambertien est constante sur un demi-espace : L = R d E / (R d = albédo, E = éclairement) Exemples : surfaces naturelles, rugueuses/ (terrains, végétation, murs en béton) Beaucoup de surfaces, diffuses sous incidence normale, deviennent quasi spéculaires sous incidence rasante Rugosité apparente/ =Paramètre important en diffusion de surface lambertien quasi normale cas réel (incidence) rasante forte cas

45 ENSTA ESE 2345 SURFACES RETROREFLECHISSANTES Surfaces ou dispositifs destinés à réfléchir fortement la lumière dans la direction de la lumière incidente Exemples : trièdres (« coins de cubes »), peintures routières, panneaux de signalisations, écrans de projection (perlés) Gains en luminance (par rapport à une surface lambertienne) : Aire / 2 (coin de cube) ; 10 à 100 (panneaux) ; 2 à 3 (écrans) Surface Rétro-réfléchissante Éclairage incident Faisceau réfléchi

46 ENSTA ESE 2346 ATMOSPHERE

47 ENSTA ESE 2347 PROPAGATION DANS LATMOSPHERE Rôle important de latmosphère dans la performance des systèmes dimagerie Atténuation des rayonnements utiles par diffusion et absorption des molécules et des aérosols Source de rayonnements parasites par diffusion de léclairage ambiant et émission thermique Fluctuations des trajets optiques et déformation des images (turbulence atmosphérique due aux inhomogénéités dindice)

48 ENSTA ESE 2348 INFLUENCE DE LATMOSPHERE Sources de perturbations fond Scène initiale Milieu de propagation Système dimagerie Scène apparente objet

49 ENSTA ESE 2349 COEFFICIENT D EXTINCTION ATMOSPHERIQUE Coefficient dextinction linéique = pourcentage, par unité de longueur, du flux prélevé par latmosphère dans la direction initiale de propagation Si atmosphère homogène : = C te F(d) = F 0 exp(- d) extinction = absorption + diffusion avec et = coefficients linéiques dabsorption et de diffusion Extinction totale = extinction moléculaire + extinction aérosols = m ( ) + a ( ) m dx F( ) F( ) – dF( ) dF( ) /F( )] / dx x

50 ENSTA ESE 2350 EXEMPLE : IMAGERIE SATELLITE DU SOL rayonnement utile 2 : rayonnement thermique de latmosphère 3 : rayonnement solaire diffusé par latmosphère rayonnement Terrestre hors champ Diffusé par latmosphère Champ observé Sur terre capteur

51 ENSTA ESE 2351 ATMOSPHERE ET BANDE SPECTRALE Importances relatives de lémission propre et de la diffusion en fonction de la bande spectrale du capteur dimagerie LUMINANCE APPARENTE DE L OBJET = L u + L p + L d L u =Luminance utile objet L p = luminance démission propre de latmosphère sur le trajet L d = luminance de diffusion atmosphérique sur le trajet Bande spectrale visibleBande 3 à 5 m Bande 8 à 12 m Terme prépondérant LdLd L p + L d LpLp

52 ENSTA ESE 2352 RAPPELS D OPTIQUE

53 ENSTA ESE 2353 RAPPELS D OPTIQUE classification des systèmes optiques Fonctions : Oculaires,collimateurs : objet à distance finie, image à linfini Objectifs : image réelle (sur capteur) Afocaux : objet et image à linfini Éléments constitutifs : dioptriques : composants par transmission, lentilles catoptriques : composants par réflexion : miroirs catadioptriques : miroirs + lentilles Systèmes centrés ou hors daxe (off - axis)

54 ENSTA ESE 2354 OBJECTIFS Objet et image à distances finies Objet à linfini, image au plan focal y y Grandissement transversal = rapport entre dimensions Image et objet g y = y/y y Dimension de limage y = f tg f = distance focale de lobjectif f

55 ENSTA ESE 2355 OCULAIRES et COLLIMATEURS Objet à distance finie, image à linfini y y = f tg f

56 ENSTA ESE 2356 AFOCAUX Objet et image à linfini Grossissement = rapport entre les angles sous lesquels sont vus limage et lobjet g =

57 ENSTA ESE 2357 DIAPHRAGME dun SYSTEME OPTIQUE pour un POINT SOURCE sur l AXE Diaphragme douverture : élément limitant le cône de lumière issu du point objet sur laxe pupille dentrée / pupille de sortie Point objet sur laxe Diaphragme Douverture Pupille de sortie Pupille dentrée Point image sur laxe

58 ENSTA ESE 2358 DIAPHRAGMES D UN SYSTEME OPTIQUE Diaphragme de champ : élément limitant la zone vue par le système (très souvent, le détecteur) objectif détecteur Zone vue par le système Zone de la scène non vue par le système

59 ENSTA ESE 2359 RELATION ENTRE CHAMP ET OUVERTURE Relation des sinus dAbbe (invariant de Lagrange) Objet y Système optique Pupille dentrée (rayon R) Pupille de sortie (rayon R) Image y A B A B (n) y sin = (n) y sin

60 ENSTA ESE 2360 RELATIONS OBJET IMAGE Luminance objet éclairement image (cas général) Objet Aire A s Image Aire A s M M Flux émis par lobjet dans la pupille dentrée du système optique : F = L A s sin 2 M Eclairement image E = T op L (A s / A s )sin 2 M Loi des sinus dAbbe( y sin M = y sin E = T op L sin 2 M

61 ENSTA ESE 2361 NOMBRE D OUVERTURE N Définition : M F N = f / D op = 1 / 2 sin M f Objet à linfini sur laxe E = T op L / 4 N 2

62 ENSTA ESE 2362 FLUX INCIDENT SUR LE DETECTEUR D UN CAPTEUR D IMAGE Objet étendu (luminance L, distance d >> f) F reçu = E S d = T op L S d / 4 N 2 Avec T op = transmission optique, S d = aire du détecteur Objet quasi ponctuel (intensité I) F reçu = I T op S op / d 2 Avec S op = aire de la pupille dentrée

63 ENSTA ESE 2363 RELATION entre l ECLAIREMENT de l OBJET et celui de l IMAGE (imagerie dans le visible) Hypothèse : objet lambertien, dalbédo (ou facteur de réflexion diffuse) R d et déclairement E Luminance de lobjet : L = R d E / Eclairement de limage : E = T op R d E / 4 N 2 Scène Éclairement E Albédo R d Détecteur Éclairement E Transmission Optique T op Nombre douverture N

64 ENSTA ESE 2364 ECLAIREMENT HORS D AXE / CAS THEORIQUE Cas dun système « grand champ » et de faible ouverture Objet de luminance uniforme ; pupille identique sur laxe et dans le champ ; E ( ) = E (0) cos 4 « loi en cos 4 » f f/cos Étendue géométrique du capteur : - Sur laxe : G(0) = S op S d / f 2 - Hors daxe : G( ) = G (0) cos 4 S op Plan focal Détecteur Aire S d optique Rayonnement de luminance uniforme L

65 ENSTA ESE 2365 ECLAIREMENT HORS D AXE : CAS REEL Vignettage : dans le champ, la pupille nest plus définie par un seul élément (diaphragme douverture), mais repose sur plusieurs composants pupille dite en « œil de chat » Diaphragme Douverture Point sur laxe Point hors daxe

66 ENSTA ESE 2366 ECLAIREMENT HORS D AXE : VIGNETTAGE Sur laxe hors daxe Diaphragme Douverture Zone utile Zone utile 1° lentille

67 ENSTA ESE 2367 QUALITE D IMAGE

68 ENSTA ESE 2368 DIFFRACTION et SYSTEMES OPTIQUES Image dun point dans un système optique parfait Optique géométrique : rayons lumineux (système stigmatique) : Résultat en présence de diffraction : onde F Pupille de sortie = ensemble de sources dondelettes en phase au foyer Focale f Image ponctuelle Tache de diffraction dans le plan focal

69 ENSTA ESE 2369 DIFFRACTION et SYSTEME OPTIQUE : RIS (PSF) Réponse impulsionnelle spatiale dun système optique parfait Conjugaison « infini - foyer » : relation entre directions et positions dun point image dans le plan focal : y = f tg Pour le point objet à linfini sur laxe, un système optique parfait restitue la figure de diffraction de sa pupille dans son plan focal y 1,22f /D 2,23f /D 3,24f /D E(y)/E(0) 3,24f /D 2,23f /D 1,22f /D

70 ENSTA ESE 2370 DIFFRACTION dans un SYSTEME OPTIQUE : RIS Image dun point par un système optique parfait S Source ponctuelle Tache DAiry Optique limitée par la diffraction

71 ENSTA ESE 2371 LIMITE DE RESOLUTION dun SYSTEME OPTIQUE Images, données par le système, de deux points sources proches lun de lautre : Points « résolus » Points en limite de résolution Points non résolus

72 ENSTA ESE 2372 CRITERE DE RESOLUTION Critère de Rayleigh : objet = 2 points proches: 2 points objets sont dits résolus par un système optique si la distance entre les centres de leurs images par le système est égale au rayon de leur réponse impulsionnelle Pour un système parfait, rayon du premier anneau noir de la tache dAiry Point 1Point 2 1,22 f/D Résolution angulaire : 1,22 /D

73 ENSTA ESE 2373 FONCTION de TRANSFERT de MODULATION Objet = mire périodique en luminance pas de la mire = p (en m pour un objet à distance finie, en mrad pour un objet à linfini) Fréquence spatiale de la mire = 1/p, (en cycle/m ou en cycle/mrad) Luminance objetÉclairement image LE p p E max E min L max L min = 0

74 ENSTA ESE 2374 FONCTION de TRANSFERT de MODULATION Définitions : Contraste ( taux de modulation) de lobjet = (L max – L min ) / (L max + L min ) Contraste de limage = (E max – E min ) / (E max + E min ) fonction de transfert de modulation de loptique FTM ( ) = contraste de limage / contraste de lobjet FTM ( ) = (E max – E min ) / (E max + E min ) pour un objet sinusoïdal de fréquence spatiale, et de modulation 100%

75 ENSTA ESE 2375 MESURE DE FTM Mires de FTM (mires crêneaux de fréquence spatiale croissante) Luminance objet Éclairement image

76 ENSTA ESE 2376 FTM dune OPTIQUE PARFAITE En limite de diffraction : FTM ( ) Fréquence spatiale Dans lespace image c = 1/N c = fréquence de coupure de loptique = fréquence au-delà de laquelle Aucune information nest transmise dans lespace image 1 N = nombre douverture image du système = f/D (conjugaison foyer)

77 ENSTA ESE 2377 DEFAUTS dune OPTIQUE Aberrations : chromatiques : n = f( ) géométriques : aberration sphérique, coma, astigmatisme, courbure de champ, distorsion Défauts de construction : inhomogénéité des verres et matériaux, défauts de surface, excentrement, basculement des pièces, contraintes mécaniques et thermiques, lumière parasite

78 ENSTA ESE 2378 INFLUENCE des DEFAUTS sur la FTM dune OPTIQUE diminution de la FTM Optique parfaite (limitée par la diffraction) Influences de défauts (aberrations) croissants FTM ( ) Fréquence spatiale 1 C

79 ENSTA ESE 2379 OBSERVATION D UNE IMAGE SUR MONITEUR

80 ENSTA ESE 2380 OBSERVATION EN DIRECT ET SUR MONITEUR Chaîne optronique à visualisation caméra scène Écran ou moniteur Vision en direct Vision sur moniteur

81 ENSTA ESE 2381 PHOTOMETRIE VISUELLE Impression visuelle = niveau de lumière (photométrie) + couleur (colorimétrie) Le système photométrique visuel exprime le niveau dune impression visuelle pour un observateur humain standard Il est le résultat statistique dimpressions visuelles dun grand nombre dobservateurs face à des sources étalonnées énergétiquement

82 ENSTA ESE 2382 PHOTOMETRIE VISUELLE Fonction de transfert énergétique => visuel (photopique) En lumière monochromatique : F visuel ( ) = K m V ( ) F énergétique ( ) avec constante de transfert K m = 683 lumens W -1 Fonction de transfert énergétique => visuel (scotopique) En lumière monochromatique : F visuel ( ) = K m V ( ) F énergétique ( ) avec constante de transfert K m = 1725 lumens W -1

83 ENSTA ESE 2383 PHOTOMETRIE VISUELLE Fonctions de transfert monochromatiques (efficacité visuelle de lœil) K m V ( ) Km V( nm En vision scotopique En vision photopique lmW -1

84 ENSTA ESE 2384 PHOTOMETRIE VISUELLE Cas dune lumière à spectre continu Vision = phénomène additif impression visuelle sur source à spectre large = Sommation des impressions visuelles élémentaires correspondant à chaque longueur donde du spectre de la source observée dF v ( ) = K m V( ) dF e ( ) F v = K m V ( ) [dF e /d d F e = dF e ( ) = [dF e /d d v F v / F e (efficacit é lumineuse) nm Spectre [dFe/d K m V

85 ENSTA ESE 2385 UNITES PHOTOMETRIQUES / VISUELLES grandeurUnité visuelledéfinitionUnité énergétique fluxLumen (lm) 683 lumen W -1 à = 555 nm W intensitéCandela (cd) lm sr -1 W sr -1 luminanceCandela m -2 lm sr -1 m -2 W m -2 sr -1 éclairementluxlm m -2 W m -2

86 ENSTA ESE 2386 CONTRASTE en LUMINANCE dun OBJET sur FOND UNIFORME détection dun objet sur un fond (vision en direct de la scène) LOLO LFLF Contraste initial C O/F (0) = (L O – L F )/L F LFLF LOLO d Contraste apparent à la distance d : C O/F (d) = (L O – L F )/L F contraste dun objet noir = -1 fond objet

87 ENSTA ESE 2387 CONTRASTE en LUMINANCE dune MIRE contraste interne dun objet : Détection de détails sur lobjet scène objet Objet = mire de luminance modulée x x L O (x) L max L min C mire = (L max – L min ) / (L max + L min ) pas

88 ENSTA ESE 2388 SEUIL DE CONTRASTE D OBJET SUR FOND Seuils de contraste en fonction de la luminance de fond (pour diverses dimensions dobjet, et durées dobservation) Diamètre angulaire de lobjet (mrad) 0,1 1,0 10 Seuil de contraste Durée dobservation (s) 0,1 Seuil de contraste ,1 0, ,1 0,01 0, ,01 0, ,03 0, Luminances De fond (cdm-2) Luminances de fond (cd m-2) 0, , ,011 petit objet (1,2 mrad ) Durée dobservation : 1s

89 ENSTA ESE 2389 CRITERE de VISIBILITE en VISION DIRECTE : SEUIL de CONTRASTE En fonction des conditions ambiantes (niveau déclairage, dimension angulaire de lobjet, durée de sa présence dans le champ de vision), seuil de contraste très variable En observation « confortable » (vision photopique, dimension angulaire objet > 10 mrad, durée dobservation > 1s) : contraste > seuil minimal = 2%

90 ENSTA ESE 2390 OBSERVATION D IMAGES SUR MONITEUR Critères de la vision directe (contraste > seuil) peu adaptés à lobservation sur moniteur Signal vidéo = signal issu du détecteur amputé de la composante continue : luminance moyenne et gain dampli sont réglables par lobservateur Présence de bruit dans limage électronique Critères de détection basés sur rapport signal à bruit évalué au niveau de lobservateur, dernier élément de la chaîne. Notion de rapport signal à bruit « perçu » par lobservateur

91 ENSTA ESE 2391 DISTANCE OPTIMALE d OBSERVATION dun ECRAN Pixel de lécran résolution de lœil (1darc) écran H L d Image de 800 lignes hauteur H vue sous langle de 800 = 14 ° (0, 23 rad) d/H 4

92 ENSTA ESE 2392 ORIGINES DU SIGNAL EN IMAGERIE OPTRONIQUE SYSTEMESORIGINE DU SIGNALBANDE SPECTRALE visuels réflectance0,4 à 0,7 m Télévision de jour réflectance0, 4 à 1 m Télévision de nuit réflectance0,5 à 0,9 m Imagerie thermique réflectance + température 3 à 5 et 8 à 12 m laser réflectance Toutes bandes

93 ENSTA ESE 2393 SIGNAL OPTIQUE ET SIGNAL ELECTRIQUE : DETECTEURS Deux familles Thermiques (thermocouples, bolomètres, pyroélectriques) : flux absorbé variation de température signal électriques Quantiques (photo-émissifs, photoconducteurs, photovoltaïques) : créations de charges par interaction lumière matière Paramètres de signal Rendement quantique = nombre délectrons créés par photon incident à la longueur donde Sensibilité spectrale R i ( ) = i s / F s ( ) = e / h = e / hc

94 ENSTA ESE 2394 SOURCES DE BRUIT EN SORTIE DE DETECTEUR Bruit Shot ou de grenaille (Schottky, Rice) : fluctuation du signal électrique en sortie de détecteur, due au caractère discret des photons incidents : i 2 shot = 2 e i f (i = courant moyen ; f = bande passante de lélectronique) Bruit thermique de la résistance (Johnson, Nyquist) fluctuations du signal électrique aux bornes de la résistance dues au mouvement aléatoire des charge en fonction de la température : i 2 johnson = 4 k T f / R (k = Cte de Boltzmann ; T = température de la résistance de charge)

95 ENSTA ESE 2395 BRUIT dun DETECTEUR Expression des bruits Source de bruitparamètre Variance i 2 Fond (en IR)courant de fond i F 2 e i F f signalcourant de signal i S 2 e i S f obscuritécourant dobscurité i O 2 e i O f Détecteur (1/f) Défauts surface connexions À définir cas par cas thermiquetempérature de R C 4 k T f / R C Amplificateurfacteur de bruit F 4 k (F- 1) T f /R C i 2 = 2 e ( i F + i S + i O ) f + 4 k T F f / R C

96 ENSTA ESE 2396 FLUX EQUIVALENT AU BRUIT (SPECTRAL) Courant de signal i S = R i ( ) F S ( ) Courant de bruit = fluctuations du courant, autour de sa valeur moyenne (en absence ou en présence de signal utile), aux bornes de la résistance de charge du détecteur Le flux équivalent au bruit spectral (FEB ( ) ou NEP( )) est la quantité de flux qui crée en sortie de détecteur une variation de signal égale à la valeur efficace du bruit : i = R i ( ) NEP ( ) NEP ( ) = i / R i ( ) Le rapport signal à bruit est : (S/B) vidéo = i S / i = F S ( ) / NEP ( )

97 ENSTA ESE 2397 DEGRADATION DU RSB le LONG de la CHAINE Influence des divers éléments Mire objet ( ) Modulation En luminance Optique FTM opt ( ) détecteur électronique écran Image Rétinienne FTM oeil ( ) Modulation en éclairement FTM dét ( ) Facteur de bruit élec FTM visu ( )

98 ENSTA ESE 2398 FONCTION de TRANSFERT de MODULATION dune CHAINE d IMAGERIE succession déléments à FTM indépendantes : FTM chaîne ( ) = FTM i ( ) électronique optique détecteur visualisation oeil globale FTM ( Fréquence spatiale 1.0

99 ENSTA ESE 2399 MIRES EQUIVALENTES A UN OBJET DETECTIONRECONNAISSANCE IDENTIFICATION

100 ENSTA ESE CRITERES DE JOHNSON Travaux de Johnson, Rosell : un système dimagerie optronique à visualisation permet de détecter, reconnaître ou identifier un objet sur un écran si lobservateur est capable de détecter sur écran une mire équivalente à lobjet : Rectangulaire, circonscrite à lobjet Constituée de barres alternées de luminances extrêmes (min et max) représentatives de lobjet et du fond avoisinant, et parallèles à sa longueur Le nombre de cycles (couples de barres min/max) dans sa petite dimension est: détectionreconnaissanceidentification 147

101 ENSTA ESE RAPPORT SIGNAL à BRUIT PERCU sur l IMAGE dune MIRE Définition : (S/B) perçu = (S/B) image rétinienne х gain (mécanismes de la vision) (S/B) perçu = (S/B) capteur х FTM moniteur хFTM œil х gain Gain de la vision par le cerveau : Le cerveau de lobservateur est un intégrateur qui lisse les images de la mire présentées successivement dans le temps sur lécran 1) Intégration spatiale des pixels dans chaque barre individuelle de la mire g s = N s avec N s = nombres déléments de résolutions du capteur dans la barre 2) Intégration temporelle de N t = 5 images successives pendant le temps dintégration de 0, 2 s g t = 5

102 ENSTA ESE GAIN de POSTINTEGRATION SPATIALE Gain de lissage sur zone Gain de postintégration spatiale sur une zone homogène en luminance (objet ou détail de lobjet) qui se différencie du Fond Ce gain est proportionnel à la dimension de la zone G intégration spatiale = G s = N s 1/2 Où N s est le nombre de pixels contigus contenus dans la zone

103 ENSTA ESE CRITERE DE DETECTION DE MIRE SUR MONITEUR Gain total de la vision sur imagerie de moniteur g = 5 N s (S/B) perçu sur limage dune mire de fréquence spatiale (F s /FEB) = 0 ( objet étendu) Х FTM opt ( ) х FTM dét ( ) х [facteur de bruit de lélectronique ( )] -1 Х FTM moniteur ( ) х FTM oeil ( ) Х 5 N s Détection visuelle de la mire sur moniteur (S/B) perçu > 5 facteur de bruit de lélectronique ( ) (Fs/FEB) = 0 = FTM i ( ) Ns


Télécharger ppt "ENSTA ESE 231 FORMATION, CAPTURE et RESTITUTION des IMAGES Première partie FORMATION et OBSERVATION Jean-Louis Meyzonnette, Ecole Supérieure dOptique."

Présentations similaires


Annonces Google