Domaine technique de l'invention

L'invention concerne le domaine d'imagerie multi-spectrale, en particulier l'invention concerne un procédé de configuration d'un filtre multi-spectral pour un capteur multi-spectral et la définition de sa structure.

Etat de la technique antérieure

Un capteur d'images est composé d'une pluralité de photosites arrangés en grille sur toute la surface des capteurs. Les photosites captent l'intensité de la lumière à laquelle ils sont exposés sans distinction des longueurs d'onde de la lumière et donc des couleurs. Pour distinguer les couleurs par le capteur d'images, un filtre multi-spectral est déposé sur le capteur. Le filtre multi-spectral filtre au niveau de chaque photosite une unique plage de longueur d'onde, caractérisée classiquement par sa longueur d'onde dite moyenne ou centrale.

Ainsi, le filtre permet de détecter une unique couleur pour chaque photosite, laquelle couleur correspond à l'intégration spectrale du flux reçu passant dans le filtre avec la transmission spectrale du filtre filtre spécifiquement placé sur ledit photosite, et correspond à la longueur d'onde moyenne ou centrale dudit filtre. Un traitement d'image ultérieur des données acquises par les photosites permet de reconstituer une image en plusieurs couleurs d'une scène observée.

Les filtres multi-spectraux actuels sont caractérisés par un motif élémentaire constitué d'un nombre de photosites proches du nombre de plage de longueur d'onde à détecter. Par exemple, le filtre de Bayer, dit filtre RVB, est constitué d'un motif élémentaire 2 ^* 2 possédant deux photosites détectant la couleur verte, d'un photosite détectant la couleur rouge et d'un photosite détectant la couleur bleue. Chaque photosite ne détectant qu'une couleur, la chaîne optronique en aval du capteur doit interpoler pour chaque photosite les deux couleurs restantes qui n'ont pas été détectées. Cette étape est appelée démosaïquage ou dématriçage ou encore débayerisation. Pour des applications multispectrales, il existe des filtres présentant un motif élémentaire 3 fois 3 permettant de détecter un nombre plus important de bandes spectrales, à savoir neuf. Cependant, ce type de filtre peut poser des problèmes lors de l'étape de débayerisation conduisant alors à une qualité d'image non constante pour les neuf couleurs. En effet, un problème d'échantillonnage en relation avec la réponse percussionnelle optique (PSF) apparaît, ladite réponse étant elle-même liée par les phénomènes de diffraction à la longueur d'onde et au nombre d'ouverture. Ainsi ce type de filtres multi-spectraux ne prend pas en compte les capacités d'échantillonnage du capteur vis-à-vis de la diffraction du système optique au niveau des photosites, ce qui réduit la précision et la fidélité de la chaîne optronique complète optique-capteur-démosaïquage . Ce type de filtres multi-spectraux ne prend pas en compte et les capacités d'échantillonnage du capteur vis-à-vis de la diffraction du système optique au niveau des photosites, ce qui réduit la précision et la fidélité de la chaîne optronique complète optique-capteur-démosaïquage.

Le présent exposé vise à remédier à ces inconvénients.

Résumé de l'invention

A cet effet, le présent exposé un filtre multi-spectral à matrice de filtrage pour un capteur à matrice de capteurs élémentaires ou photosites, ladite matrice de filtrage comprenant un motif élémentaire formé d'un arrangement de N cellules élémentaires aptes à filtrer des longueurs d'ondes centrales la position des cellules élémentaires sensibles aux longueurs d'ondes centrales dans le motif élémentaire étant déterminée de sorte que : chaque longueur d'onde étant associée à un entier choisi de sorte que chacun des produits soit sensiblement constant, chaque cellule élémentaire sensible à la longueur d'onde centrale A _k , est positionnée à e _k positions dans le motif élémentaire de sorte que le rapport maximal entre la distance entre deux positions proximales de la cellule élémentaire sensible à ladite longueur d'onde centrale et la longueur d'onde centrale associée soit minimal.

La longueur d'onde centrale associée d'une cellule peut correspondre au barycentre pondéré des longueurs d'onde par la transmission spectrale du filtre considéré dit « à la longueur d'onde centrale. ». Autrement dit, les longeurs d'onde sont pondérées par les transmissions spectrales aux longeurs d'onde considérées.

En particulier, la longueur d'onde centrale associée d'une cellule peut être déterminée selon la formule suivante : avec transmission étant la transmission spectrale de l'onde centrale associée

Le motif élémentairepeut être le suivant :

Avec les longueurs d'onde étant la série suivante {1100 ; 917 ; 786 ; 688 ; 611 ; 550 ; 500 ; 458 ; 423}, et étant un écart de longueur d'onde prédéterminé pour chaque longueur d'onde. L'écart de longueur d'onde peut être égal à la différence entre deux longueurs d'onde consécutives

L'écart de longueur d'onde peut être égal à la moitié de la différence entre deux longueurs d'onde consécutives

L'écart de longueur d'onde peut être égal au quart de la différence entre deux longueurs d'ondes consécutives

La présente invention concerne également un procédé de détermination d'une matrice de filtrage multi-spectral pour un capteur, le procédé comprenant :

- fournir N longueurs d'onde centrales à filtrer par la matrice de filtrage,

- déterminer un motif élémentaire de la matrice de filtrage dans la matrice de filtrage, la détermination du motif élémentaire comprenant :

- associer un entier à chaque longueur d'onde centrale, chaque entier étant choisi de sorte que le produit de chaque entier et de la longueur d'onde centrale associée soit sensiblement constant,

- pour chaque longueur d'onde centrale déterminer e _k positions de la cellule élémentaire sensible à ladite longueur d'onde centra le dans le motif élémentaire de sorte que le rapport entre la distance maximale entre deux positions les plus proches, ou proximales, de la cellule élémentaire sensible à ladite longueur d'onde et la longueur d'onde associée audit entier soit minimal.

Le choix des entiers assurant un produit sensiblement constant entre chaque entier et la longueur d'onde centrale associée permet d'uniformiser statistiquement la fonction de transfert du capteur d'images. Le placement judicieux des e _k longueurs d'ondes centrales permet de prendre en compte la fréquence de coupure optique et la fréquence d'échantillonnage spatial du capteur pour chaque longueur d'onde. La matrice de filtrage déterminée par le procédé est ainsi plus fiable et précis car il prend en compte les caractéristiques du capteur d'images.

La matrice de filtrage peut présenter des dimensions correspondant à une grille de photosites constituant le capteur d'images. Le motif élémentaire peut être répété dans la matrice de filtrage.

Selon un mode de réalisation, la détermination des e _k positions de chacune des cellules élémentaires sensibles aux N longueurs d'onde centrale peut comprendre déterminer une fonction de coût 0, ladite fonction de coût étant déterminée par la formule suivante :

[math 1]

Avec k un entier compris entre étant des entiers compris entre étant différent de étant la distance euclidienne dans le plan entre les positions des photosites sensibles à la longueur d'onde centrale et étant pour chaque position i _k la distance minimale à l'ensemble des positions ladite fonction de coût intégrant la répétition du motif.

Ladite distance peut être la distance réelle entre des cellules élémentaires.

La pluralité de positions de chaque cellule élémentaire sensible à la longueur d'onde peut donc être déterminée par les positions pour lesquelles la fonction de coût est la plus faible. Les produits sont ainsi considérés comme constants lorsqu'ils satisfont la formule suivante :

[math 2]

A étant choisie inférieure ou égale à 15% et de préférence inférieure à 7%

Les entiers e* sont ainsi choisis pour satisfaire à cette formule.

Le motif élémentaire peut être une matrice carrée. Ceci permet de réduire les ressources de calcul nécessaires pour mettre en oeuvre le procédé et simplifier la fabrication.

La dimension du motif élémentaire est déterminée par la formule suivante :

[math 3] avec p étant la dimension du motif élémentaire.

Le procédé comprend en outre : attribuer à chaque position du motif élémentaire une longueur d'onde centrale associée à l'entier agencé à ladite position du motif élémentaire. Le procédé peut comprendre pour une ou plusieurs positions du motif élémentaire, une étape de réaffectation d'une première longueur d'onde des longueurs d'onde par une seconde longueur d'onde différente présentant une fonction de coût à ladite position plus faible que la fonction de coût de la première longueur d'onde à ladite position.

Le nombre prédéterminé N de longueurs d'onde est supérieur à trois et est en particulier égal à neuf.

Le présent exposé concerne aussi une matrice de filtrage pour un capteur multi-spectral obtenue par le procédé tel que précité.

Le présent exposé concerne un capteur multi-spectral comprenant un filtre correspondant à une matrice de filtrage obtenue par le procédé de détermination de matrice de filtrage précité.

Le présent exposé concerne un dispositif de détermination d'une matrice de filtrage pour un capteur multi-spectral comportant un circuit de traitement pour la mise en oeuvre du procédé précité.

Le présent exposé concerne un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé de détermination de matrice de filtrage précité, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un processeur d'un circuit de traitement.

Brève description des figures

[Fig. 1] la figure 1 représente un exemple de réalisation d'un procédé pour configurer un filtre multi-spectral,

[Fig. 2] la figure 2 représente un filtre obtenu par le procédé de la figure 1, dans lequel les longueurs d'ondes centrales sont chacune représentées par leur entier caractéristique chaque longueur d'onde centrales étant présentes fois,

[Fig. 3] la figure 3 représente un dispositif de capture d'images muni d'un filtre de la figure 2. [Fig. 4] la figure 4 représente le filtre avec les longueurs d'ondes centrales positionnées fois, correspondant au filtre de la figure 2.

Description détaillée de l'invention

Le dispositif de capture d'images 300 de la figure 4 est configuré pour fournir une image d'une scène 302. Le dispositif de capture d'images 300 comprend un étage d'optique 304 suivi d'un étage d'électronique 310. L'étage d'optique 304 comprend par exemple un objectif optique. L'étage d'électronique 310 comprend un capteur d'images 308 composé d'une pluralité de photosites arrangés en grille sur toute la surface du capteur 308. L'étage d'électronique 310 est configuré pour appliquer un filtre 302 sur le capteur d'images 308. L'étage d'électronique 310 est encore configuré pour réaliser les étapes suivantes : Etape 312 de démosaïquage, aussi appelé dématriçage ou débayerisation, d'interpolation des données détectées par le capteur d'images 308.

Etape 314 de traitement d'images à partir des données interpolées lors de l'étape 312.

Etape 316 de retour d'une image finale représentant la scène 302.

Pour le système d'imagerie multispectral, le capetur 300 est situé au foyer optique de ces systèmes, l'image formée par étage d'optique 304 situé en amont du capteur 300 à partir de la scène observée. Le filtre 302 est agencé au niveau du capteur d'images 308.

La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un procédé pour configurer un filtre multispectral pour un capteur d'images, par exemple le filtre 302 du dispositif 300. Le capteur d'images peut être un capteur à large bande spectrale par exemple en Si, InGaAs, InSb, HgCdTe. Le capteur d'images comprend une pluralité de photosites arrangés en grille sur toute la surface dudit capteur. Le procédé 100 détermine une matrice de filtrage à appliquer au capteur d'images. En particulier, le procédé 100 détermine un motif élémentaire répété dans la matrice de filtrage.

Le procédé 100 comprend une étape 102 de réception ou détermination de longueurs d'onde centrales à filtrer avec k étant un entier et N étant le nombre de longueur d'onde Par exemple, pour un capteur en Si, les longueurs d'onde sont comprises entre 380 nm et 1100 nm. Dans une réalisation particulière, les longueurs d'onde centrales peuvent être {1100 ; 917 ; 786 ; 688 ; 611 ; 550 ; 500 ; 458 ; 423} nm. Dans cet exemple, on préférera un capteur en Si ou InGaAs car ces matériaux sont photosensibles aux longueurs d'ondes de la plage de valeurs de longueurs d'ondes mentionnées entre 423nm et 1100nm. Les longueurs d'onde centrale peuvent être différentes de +/-100nm des valeurs de la liste {1100 ; 917 ; 786 ; 688 ; 611 ; 550 ; 500 ; 458 ; 423}nm. Les largeurs spectrales de chacun des filtres seront à mi-hauteur proportionnelles à une fraction comprise entre ¼ et 1 de l'écart entre 2 longueurs d'onde centrale consécutives. Chaque longueur d'onde varie dans un intervaille définit par un écart de longueur d'onde autour de ladite longueur d'onde, l'écart de longueur d'onde pouvant être une fraction comprise entre 0,25 et 1 de la différence entre deux longueurs d'onde centrale consécutives.

Ainsi, les bornes minimales et maximales des filtres pourront prendre des valeurs parmi celles du tableau suivant, avec une incertitude de +/-20nm :

[Tableau 1]

Le procédé 100 comprend une étape 104 de détermination d'une série d'entiers Chaque entier est associé à une longueur d'onde centrale Les entiers sont déterminés pour que le produit de chaque entier et de la longueur d'onde associée soit sensiblement constant.

Par exemple, les entiers sont déterminés pour satisfaire la formule suivante :

[math 4]

La valeur A est choisie pour être inférieure ou égale à 15%. La valeur A est de préférence inférieure à 7%. Le choix des entiers e _k permet d'uniformiser la quantité d'énergie repliée à chaque longueur d'onde centrale En effet, pour un signal ayant une bande passante [0, fc] où fc représente la fréquence de coupure optique à F étant le nombre d'ouverture et avec une fréquence d'échantillonnage fech, alors pour les fréquences appartenant à [0 ; fech], le signal est bien échantillonné et sera fidèlement reproduit mais pour les fréquences appartenant à [fech ; fc], le signal passera mais ne sera pas fidèlement reproduit. Dans ce dernier cas, il sera littéralement replié sur la partie correctement reproduite.

Ceci permet d'uniformiser, c'est-à-dire rendre autant que possible égal/constant, le ratio entre la fréquence de coupure optique et la fréquence d'échantillonnage spatial fech _k du capteur pour chaque longueur d'onde

En effet, la fréquence d'échantillonnage spatial fech _k du capteur est en moyenne égale à l'inverse de la distance moyenne entre les photosites sensibles à la longueur d'onde centrale et donc proportionnelle au nombre de photosites sensibles à dans le motif élémentaire.

Ainsi, l'uniformisation des chaînes optroniques aux différentes longueurs d'onde est réalisée par un produit le plus homogène possible voire constant.

Le procédé 100 comprend une étape 106 de détermination de la dimension du motif élémentaire. Par exemple, le motif élémentaire peut être carré, ce qui simplifie la mise en oeuvre du procédé 100 en terme de ressources de calcul nécessaires. L'étape 106 peut dans ce cas être réalisée en résolvant la formule suivante :

[math 5]

Avec p étant la dimension du motif élémentaire.

Pour les longueurs d'onde centrales suivantes : {1100 ; 917 ; 786 ; 688 ; 611 ; 550 ; 500 ;

458 ; 423} nm, la série d'entiers peut être {5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13} et la dimension du motif élémentaire peut être 9x9.

Le procédé 100 comprend ensuite une étape 108 de détermination d'une ou plusieurs positions pour chaque longueur d'onde centrale Les longueurs d'ondes centrales sont positionnés ( l,m ) dans le motif élémentaire de sorte que le ratio entre la distance au photosite le plus proche sensible à la même longueur d'onde centrale et la longueur d'onde centrale est minimale.

L'étape 108 comprend la minimisation d'une fonction de coût Pour cela, une fonction de coût est déterminée pour chaque entier selon la formule suivante :

[math 6]

Avec k un entier compris entre étant des entiers compris entre étant différent de étant la distance euclidienne dans le plan entre les positions des photosites sensibles à la longueur d'onde centrale et m étant pour chaque position la distance minimale à l'ensemble des positions

Ainsi, une longueur d'onde centrale est attribuée pour chaque position du motif élémentaire.

La distance peut être déterminée entre deux positions de photosite sensibles à la longueur d'onde centrale au sein d'un même motif élémentaire ou entre une première position de photosite dans un premier motif élémentaire et une seconde position de photosite dans un second motif élémentaire adjacent au premier motif élémentaire. Ainsi, la fonction de coût intègre la répétition du motif.

Le procédé 100 peut comprendre une étape de génération de la matrice de filtrage par répétition du motif élémentaire dans la matrice de filtrage. La matrice de filtrage présente des dimensions correspondant aux nombre et à la répartition des photosites dans le capteur d'images. Une longueur d'onde centrale est ainsi affectée à chaque photosite du capteur d'image.

L'étape 108 peut aboutir à une pluralité de motifs élémentaires distincts. Dans ce cas, le procédé 100 peut comprendre une étape de sélection d'un motif élémentaire parmi les motifs élémentaires issus de l'étape 108. Cette sélection peut être aléatoire. Le procédé 100 peut comprendre une étape d'optimisation du motif élémentaire. Cette étape comprend la réaffectation d'une position sensible à une longueur d'onde centrale à une seconde longueur d'onde centrale dans le motif élémentaire. Le motif élémentaire après réaffectation présente une fonction de coût plus faible que le motif élémentaire initial. Les réaffections sont choisies par observation ou par essai de combinaison. Les entiers associés aux longueurs d'onde centrale évoluent alors en

L'étape d'optimisation peut être réalisée plusieurs fois, pour plusieurs longueurs d'onde centrales et plusieurs positions.

Le procédé 100 comprend en outre une étape 110 de répétition du motif déterminé dans la matrice de filtrage.

A titre d'exemple, le procédé peut aboutir à la matrice de filtrage 200 représentée sur la figure 2 pour la série d'entiers {5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 ; 11 ; 12 ; 13} associée à la série de longueurs d'onde {1100 ; 917 ; 786 ; 688 ; 611 ; 550 ; 500 ; 458 ; 423} positionnées sur le filtre de la figure 4 et aboutissant au filtre 400. La matrice de filtrage 200 comprend une pluralité de motifs élémentaires 202 répétés dans la matrice de filtrage et obtenu à l'étape 108. Le motif élémentaire est répété dans la matrice de filtrage à l'étape 110. L'entier agencé à la position 204 du motif élémentaire est remplacé par un autre entier permettant une fonction de coût plus faible.

La matrice de filtrage 200 obtenue par le procédé 100 est plus précise et plus fiable, en particulier pour un nombre important de longueurs d'onde, i.e. un nombre supérieur à 3. De plus, une telle matrice de filtrage 200 permet de réduire les erreurs d'interpolation postérieure pendant le traitement d'images car la matrice de filtrage prend en compte la fréquence d'échantillonnage spatial du capteur et sa fréquence de coupure optique.

Les longueurs d'ondes de la matrice de filtrage 400 correspondent aux entiers de la matrice de filtrage 200.

Le capteur d'images peut être équipée de la matrice de filtrage 200 ou la matrice de filtrage 400 de la figure 4 pour détecter 9 couleurs distinctes correspondant aux longueurs d'onde {1100 ; 917 ; 786 ; 688 ; 611 ; 550 ; 500 ; 458 ; 423} nm. Le capteur d'images peut comprendre un module de traitement d'images configuré pour interpoler les données acquises par le capteur d'images pour constituer une image.