Système de vision embarque portable et multi-capteurs 

Système de vision embarque portable et multi-capteurs 

Acquisition des images

Un système moderne interface plusieurs types de capteurs d’image bien souvent hétérogènes. Ces capteurs ne produisent pas forcément une image parfaite et exploitable et nécessitent pour la plupart une propre chaˆıne de traitement de correction. De manière générale, les opérations requises, traitent des problèmes liés à l’optique en corrigeant les distorsions par exemple, des problèmes liés à la fabrication du capteur en corrigeant les non-uniformités des valeurs pixéliques (Non Uniformity Correction) ou encore des défauts propre à la technologie utilisée comme le bruit dans l’image. Par ailleurs, l’image brute issue d’un capteur couleur à technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ) est inexploitable sans appliquer un traitement de restauration d’image permettant de restituer l’image couleur sous les trois plans, rouge, vert et bleu.  Afin de mieux comprendre la problématique de la variété de capteurs, nous établissons dans cette section une courte présentation de trois types de technologies incontournables dans le domaine de la vision embarquée en condition de jour et de nuit : capteur d’image couleur, capteur bas niveau de lumière et capteur infrarouge.

Capteur d’image couleur

Le capteur couleur est le capteur le plus répandu dans les équipements de vision embarquée portable et plus particulièrement dans le domaine de la photographie numérique [1]. Un capteur numérique réalise l’acquisition et l’échantillonnage d’une image en deux dimensions. Il est constitué d’une dalle de photorécepteurs qui transforment par effet photoélectrique, un signal lumineux de photons en un signal électrique analogique constitué d’électrons. Ce signal est ensuite échantilloné au travers d’un convertisseur analogique/numérique afin de produire un flux de pixels correspondant à la représentation matricielle de l’image. Il existe deux principales technologies dans le domaine de l’imagerie couleur : la technologie CCD (Charge-Coupled Device) et la technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ). La technologie CCD [21] correspond à une dalle de photorécepteurs qui sont adressés de manière séquentielle. Ce type d’accès est particulièrement lent pour accéder à la valeur d’un pixel. Le convertisseur ADC (analogique/numérique) ainsi que l’amplificateur de gain sont déportés sur un PCB (Printed Circuit Board) en sortie du capteur. La technologie CMOS [22] utilisent le principe de pixel actif (APS : Active Pixel Sensor ). Dans cette technologie, chaque photosite du capteur contient à la fois un photorécepteur, une diode de lecture et un amplificateur, comme illustré par la figure 2.2. Ceci présente ainsi un avantage important par rapport à la technologie CCD concernant la facilité d’accès aléatoire sur un pixel de l’image. Les photosites sont ainsi gérés de fa¸con indépendante grˆace à une matrice de commutation. La technologie CMOS apporte donc une véritable souplesse d’utilisation du capteur pour des applications de traitement d’image travaillant sur des zones par exemple. Un autre avantage concerne la compatibilité de cette technologie avec la conception VLSI (Very Large Scale Integration) permettant  ainsi d’intégrer des circuits spécifiques, comme par exemple un oscillateur, qui nécessitent usuellement d’être placés dans un PCB déporté du capteur dans le cas de la technologie CCD. Etant donné que chaque pixel possède son propre circuit d’amplification, le facteur de remplissage (fill factor ) d’un capteur CMOS s’en trouve cependant réduit. La capacité d’intégration du CMOS implique donc une réduction de la taille du capteur, une réduction de la consommation et un coˆut de fabrication plus faible [23]. 

Capteur d’image à bas niveau de lumière (BNL)

Dans des conditions nocturnes, les capteurs couleurs deviennent insuffisants pour l’observation d’une scène. Si les conditions de luminosité sont faibles, il est possible d’utiliser des capteurs spécifiques dits ”à bas niveau de lumière” (BNL). Pour ces types de capteurs, une solution est d’amplifier l’information lumineuse transportée par les photons. Cette amplification peut être réalisée par des technologies à base de tube à intensification de lumière (IL). Le principe consiste à appliquer une tension importante dans le tube contenant la photocathode afin d’accélérer les photoélectrons et amplifier le signal en les faisant traverser une galette de micro-canaux (microchannel plate, MCP). Ces tubes peuvent ainsi être utilisé pour réaliser des capteurs en les combinant avec un capteur CMOS (IL-CMOS) ou CCD (IL-CCD). Une solution alternative plus compacte est proposée par la technologie EBCMOS (Electron Bombarded CMOS) [26] qui réalisent directement le bombardement photoélectronique sur le CMOS, comme illustré par la figure 2.5. Chapitre 2. Système de vision embarquée portable et multi-capteurs 25 photons photocathode CMOS photoélectrons Figure 2.5: Capteur Bas Niveau de Lumière de type EBCMOS Un exemple de chaˆıne de traitement simplifiée pour un capteur BNL est présenté en figure 2.6, afin d’obtenir une image visualisable en sortie sur un afficheur.  Figure 2.6: Exemple de chaˆıne de traitement pour un capteur BNL L’image brute en sortie du capteur nécessite dans un premier temps, une correction des non-uniformités (NUC) provenant de la disparité des réponses des photorécepteurs. L’amplification importante de l’information lumineuse dans ce capteur, introduit un bruit dans l’image, propre à la technologie, à minimiser pour obtenir une image exploitable. Comme pour le capteur couleur, l’image subit par la suite un réhaussement de contraste avant d’être affichée.

Capteur d’image infrarouge (IR)

Dans des conditions de noir total, l’amplification de l’information lumineuse devient inutile et il est nécessaire de travailler sur d’autres bandes spectrales. La technologie infrarouge [27] permet de travailler sur des bandes spectrales de 3 à 15 µm ce qui permet ainsi de visualiser une scène en faible luminosité. On distingue deux familles de capteur infrarouge : la famille refroidie et non-refroidie. Dans le cas du refroidi, les capteurs sont des semi-conducteurs à base d’indium et d’antimoine (InSb) qui sont placés à l’intérieur de cryostats à une température inférieure à 80K. Cette technologie propose un très bon rendement quantique mais possède un inconvénient dans la fabrication des caméras qui sont d’encombrement important. Ainsi, cette famille est réservée seulement pour de l’embarqué. La technologie non-refroidie [28] autorise des systèmes plus compacts et se base sur des détecteurs bolométriques dont la conductivité change en fonction de la température. Cette famille de détecteur, dont la température peut être stabilisée par effet Pelletier, introduit néanmoins de nouveaux défis de traitement d’image en sortie du  capteur car sa réponse n’est pas uniforme sur sa matrice de pixels, et est plus sensible au bruit.