Theme EL 2009 WEBCAM ; TP: FA, FP4, FS21 ; Distance focale ; Spectre. Rappels du cours sur la vidéo: Le signal video

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1 Rappels du cours sur la vidéo: Le signal video 1. Les tops de Trame: 2. Signal vidéo contenant les informations de synchronisation et d'intensité: 3. Signal de synchronisation en début de ligne: Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 1 / 19

2 REMISE EN SITUATION À COMPLÉTER À L'AIDE DU DOSSIER TECHNIQUE SCHÉMA FONCTIONNEL DE DEGRÉ 1 DE LA WEBCAM PROTOTYPE Objet ou personne en mouvement Pixels-image (photosite) 8 Y CAM-BUS Captage Orienté Captage Conditionnement Mémorisation Bus de contrôle Temporaire FP1 FP2 FP3 Signal analogique (VTO) Panoramique Horizontale Camera Config SCCB 2 FIFO RST 8 FIFO-BUS ISP/BP Reset Inclinaison Verticale Mise en Mouvement FP5 PWM 2 Traitement Vidéo 4 FP4 GPIO Liaison Série V5-0 V6-5 S1 - M/A Alimentation V3-3 V1-8 Mémorisation Support SD FP7 FP6 FP1 : Captage Orienté Cette fonction est réalisée par des capteurs CCD, Dispositifs à Couplage de Charge, qui captent la lumière sur des petits photosites (photodiodes rectangulaires) situés à leur surface. Ils tirent leur nom de la manière dont le nombre de charges est lu après une exposition à la lumière. Un pixel est composé de quatre photosites (2 Verts, 1 Bleu et 1 Rouge), il y a plus de vert pour tenir compte du fait que l œil humain est plus sensible au vert qu aux autres couleurs. L'orientation du capteur permet de suivre une cible en mouvement. FP2 : Conditionnement Conversion des signaux analogiques en signaux numériques aux formats normalisés de la vidéo numérique (numérisation et encodage de l image). Génération d un signal vidéo composite de type PAL Noir et Blanc, avec des niveaux de tension compatibles avec l entrée d un poste de télévision. FP4 : Traitement Vidéo Effectue les calculs nécessaires pour construire une image numérique couleur. Communique avec le PC afin d utiliser le logiciel de la webcam prototype pour afficher cette image. Détecte un mouvement et assure le suivi de l objet ou de la personne sélectionné. Assure la mémorisation de l image sur différents supports. Un reset interne est assuré à la mise sous tension, à l'arrêt et en cas de défaillance. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 2 / 19

3 LES SÉANCES DE TP PORTENT SUR LA CARTE ANALOGIQUE La carte analogique étudiée traite le signal vidéo analogique fournit par la webcam prototype. SCHÉMA FONCTIONNEL DE LA CARTE ANALOGIQUE : Signal vidéo Adaptation vidéo (FA) Téléviseur analogiqu VTO TV-RCA Détection top de trame (FS2.1) VSYNC Détection top de ligne (FS2.2) HSYNC Traitement Numérique Détection niveau luminance (FS4) LEVEL_Y ANALYSE FONCTIONNELLE : FPA : Adaptation Vidéo. Permet de visualiser le signal vidéo pendant les mesures en utilisant un téléviseur. Entrées : VTO (Analog Out) : Signal analogique d amplitude 0-1V, signal composite ne comportant que l information luminance (Blanc/Noir), compatible avec le standard PAL. Sorties : TV-RCA:. Signal analogique d amplitude 0-1V, signal composite ne comportant que l information luminance (Blanc/Noir), compatible avec le standard PAL, adapté en impédance (75Ω). FS2.1: Détection de top trame: Extrait les tops de trame du signal vidéo. Entrées : VTO (Analog Out) : Signal analogique d amplitude 0-1V, signal composite ne comportant que l information luminance (Blanc/Noir), compatible avec le standard PAL. Sorties : VSYNC: : Signal binaire, correspondant à la synchronisation verticale de l image, la période est égale à 20ms, le front descendant indique le début d une nouvelle trame. Il est compatible (0-5V) FS2.2: Détection de top ligne: Extrait les tops de ligne du signal vidéo. Entrées : VTO (Analog Out) : Signal analogique d amplitude 0-1V, signal composite ne comportant que l information luminance (Blanc/Noir), compatible avec le standard PAL. Sorties : HSYNC: Signal binaire, correspondant à la synchronisation horizontale de l image, la période est égale à 64µs, le front montant indique le début de la partie utile d une ligne. Il est compatible (0-5V) FS4: Détection niveau luminance: Générer un signal qui permet de connaître la position sur l axe horizontal d une bande blanche verticale. Entrées : VTO (Analog Out) : Signal analogique d amplitude 0-1V, signal composite ne comportant que l information luminance (Blanc/Noir), compatible avec le standard PAL. Pour assurer un bon aspect visuel de l'image, la caméra effectue un contrôle automatique du gain en fonction de la luminosité ambiante. Plus l'environnement est sombre plus la compensation est importante et vice versa. Sorties : LEVEL-Y: Signal binaire, compatible (0-5V), au niveau haut quand le niveau analogique dépasse un seuil fixé. Il est indépendant du niveau d'éclairement. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 3 / 19

4 SCHÉMA STRUCTUREL DE LA CARTE ANALOGIQUE Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 4 / 19

5 TYPONS DE LA CARTE ANALOGIQUE Implantation des composants COTÉ COMPOSANT COTÉ CUIVRE Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 5 / 19

6 ETUDE EXPERIMENTALE DE LA FONCTION F.A. 1. ETUDE DE LA FONCTION A L'AIDE D'UN SIGNAL ISSU D'UN GBF Isoler la fonction sur la carte : - fermer CAV2 - ouvrir tous les autres cavaliers - alimenter la carte en 15V Régler le GBF afin de qu'il délivre un signal sinusoidal de fréquence réglable, d'amplitude (valeur crête) 1V. Décrire le protocole de réglage de façon détaillée. Connecter ce signal en VTO. Pour une fréquence de 1kHz observer le signal obtenu en TV - RCA et celui issu du GBF en concordance de temps. Conclure sur le nom de ce montage. Etude de l'intérêt du montage : - Brancher une résistance Ru (boite à décade jusqu'à *100) directement sur le GBF; - Observer le signal aux bornes de Ru, faire varier Ru. - Que constate-t-on? - Brancher une résistance Ru (boite à décade jusqu'à *100) en TV-RCA et connecter à nouveau le GBF en VTO. - Faire varier Ru et observer le signal aux bornes de Ru. - Conclure. Limites de cette fonction : - Que se passe-t-il si on augmente trop l'amplitude du signal en VTO? - Que se passe-t-il si on diminue trop Ru? - Procéder à une excursion en fréquence. Que se passe-t-il? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 6 / 19

7 2. ETUDE DE F.A. AVEC LE SIGNAL VIDEO Alimenter le module de la caméra en 5V. Placer la mire (bande blanche sur fond noir) face à l'objectif. Visualisation directe du signal vidéo et de l'image correspondante Connecter directement le signal vidéo issu du module à la télévision. L'image obtenue est-elle de bonne qualité? Connecter directement le signal vidéo issu du module à la télévision et à l'oscilloscope. Préciser tous les réglages nécessaires pour une bonne synchronisation à l'oscilloscope. Les deux visualisations sont-elles celles attendues? Connecter le signal vidéo issu du module uniquement à l'oscilloscope. Que se passe-t-il? Conclusion. Visualisation du signal vidéo chargé par 75Ω Fermer CAV1 (connexion de 75Ω sur la sortie) Connecter le signal issu du module à l'entrée VTO de la carte. Visualiser le signal en VTO à l'oscilloscope. Est-il bien celui attendu? Laisser l'oscilloscope ainsi connecté et ajouter la visualisation de l'image à la télévision. Que constatet-on? Justification de la présence du suiveur Activer la fonction sur la carte : fermer CAV1 et CAV2; ouvrir tous les autres cavaliers; alimenter la carte en 15V. Connecter le signal issu du module à l'entrée VTO de la carte. Visualiser le signal en VTO, sur l'oscilloscope. Est-il le même que précédemment? Connecter la sortie TV-RCA à la télévision. L'image est-elle celle attendue? Le signal à l'écran de l'oscilloscope est-il modifié? Conclusion. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 7 / 19

8 ETUDE EXPERIMENTALE DE FS FS R 2 = 22kΩ v TO C 2 = 1nF v CAV4 Ce circuit, composé d'une résistance et d'un condensateur, forme un quadripôle. Ce quadripôle est dit "passif". 1. ETUDE EN REGIME sinusoidal: Le signal vto, issu du module caméra, qui va être envoyé en entrée de FS est-il sinusoidal? Si non alors pourquoi faire l'étude de cette fonction en régime sinusoidal? Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV3 ouvrir tous les autres cavaliers Régler le GBF afin de qu'il délivre un signal sinusoidal de fréquence réglable, d'amplitude (valeur crête) 1V. Décrire le protocole de réglage de façon détaillée. Connecter ce signal en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps les signaux d'entrée et de sortie de la fonction. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. Par une rapide excursion en fréquence déterminer la nature du filtre. Déterminer l'amplification maximale en déduire le gain maximal. Déterminer rapidement la fréquence de coupure. Etablir le protocole expérimental permettant de tracer G (f) et (f). ( est le déphasage du signal de sortie par rapport au signal d'entrée). Tracer ces deux caractéristiques. Indiquer les points remarquables. Déterminer la pente de la zone linéaire et en déduire l'ordre de ce filtre. Quel est le déphasage (f c) à la fréquence de coupure? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 8 / 19

9 2. ACTION DU FILTRE: Pour un signal en créneaux d amplitude crête à crête de2v, de valeur moyenne 0,5V et de rapport cyclique 0,5, observer et relever la décomposition spectrale (FFT) des signaux d'entrée et de sortie aux fréquences 50Hz et 50kHz. Renouveler pour la fréquence des tops de ligne. Conclure. 3. ETUDE AVEC LE SIGNAL VIDEO : Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV1 et CAV 3 ouvrir tous les autres cavaliers Connecter le signal issu du module en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps le signal VTO et celui de sortie en CAV 4. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. La fonction FS est-elle validée? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 9 / 19

10 ETUDE EXPERIMENTALE DE FS V DD = +15V FS R 3 100kΩ P 3 10kΩ TL 082 v S v CAV4 Observation de la structure : Quel est le mode de fonctionnement du CI TL082? Quelle est donc la fonction réalisée autour de ce CI? Quel est le rôle de l'ensemble R 3 P 3? 1. ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STRUCTURE Isoler la fonction sur la carte : ouvrir tous les cavaliers alimenter la carte en ±15V Etablir le protocole expérimental permettant de mesurer les valeurs extrêmes obtenues en PT1. Faire les mesures. Régler le GBF afin de qu'il délivre un signal permettant d'observer le comportement de cette structure (fréquence 50Hz). Décrire le protocole de réglage de façon détaillée. Connecter ce signal en CAV4. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps les signaux d'entrée et de sortie de la fonction. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. Visualiser les deux signaux pour diverses valeurs en PT1. (0V; 0,4V; 0,8V; 1,2V). Commenter les courbes observées. Faire un relevé pour 0,71V. Visualiser la caractéristique de transfert en tension pour 0,71V en PT1. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 10 / 19

11 2. ETUDE DE FS2.1.2 AVEC LE SIGNAL ISSU DE FS2.1.1 Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV1, CAV 3 et CAV4 ouvrir tous les autres cavaliers alimenter la carte en ±15V Activer le module : Alimenter le module de la caméra en 5V. Placer la mire (bande blanche sur fond noir) face à l'objectif. Connecter le signal issu du module en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps le signal VTO et celui de sortie sur la broche 7 du TL 082 B. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope (attention : ici synchronisation trame). A l'aide de P 3 ajuster le seuil de comparaison afin de détecter les tops de trame. Mesurer cette valeur. Relever les deux signaux. Quelles sont les valeurs prises en sortie? Les justifier. Commenter. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 11 / 19

12 ETUDE EXPERIMENTALE DE FS FS Sortie 7 R 4 =1kΩ D Z1 Vsync Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV1, CAV 3 et CAV4 ouvrir tous les autres cavaliers alimenter la carte en ±15V Activer le module : Alimenter le module de la caméra en 5V. Placer la mire (bande blanche sur fond noir) face à l'objectif. Observer et relever alors les signaux VTO, V out ( en sortie de l'aop) et Vsync, en concordance de temps. Préciser le protocole expérimental alors mis en oeuvre. Quelle est le but de cette fonction? Est-il validé? CONCLUSION Observer et tracer simplement les signaux VTO et Vsync et conclure sur la validité de FS 2.1 Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 12 / 19

13 ETUDE EXPERIMENTALE DE FS 4.1 FS 4.1 R 8 = 100kΩ v TO C 5 = 100nF v CAV10 Ce circuit, composé d'une résistance et d'un condensateur, forme un quadripôle. Ce quadripôle est dit "passif". 1. ETUDE EN REGIME sinusoidal Le signal vto, issu du module caméra, qui va être envoyé en entrée de FS 4.1 est-il sinusoidal? Si non alors pourquoi faire l'étude de cette fonction en régime sinusoidal? Isoler la fonction sur la carte : - fermer CAV8 - ouvrir tous les autres cavaliers Régler le GBF afin de qu'il délivre un signal sinusoidal de fréquence réglable, d'amplitude (valeur crête) 1V. Décrire le protocole de réglage de façon détaillée. Connecter ce signal en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps les signaux d'entrée et de sortie de la fonction. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. Par une rapide excursion en fréquence déterminer la nature du filtre. Déterminer l'amplification maximale en déduire le gain maximal. Déterminer rapidement la fréquence de coupure. Etablir le protocole expérimental permettant de tracer G (f) et (f). ( est de déphasage du signal de sortie par rapport au signal d'entrée). Tracer ces deux caractéristiques. Indiquer les points remarquables. Déterminer la pente de la zone linéaire et en déduire l'ordre de ce filtre. Quel est le déphasage à la fréquence de coupure? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 13 / 19

14 ACTION DU FILTRE: Pour un signal en créneaux d amplitude crête à crête de 2V, de valeur moyenne 0,5V et de rapport cyclique 0,5, observer et relever la décomposition spectrale (FFT) des signaux d'entrée et de sortie aux fréquences 10Hz et 50Hz et 15,6kHz. Quel nom peut-on attribuer à ce filtre? 2. ETUDE AVEC LE SIGNAL VIDEO Isoler la fonction sur la carte : 1.fermer CAV1 et CAV 8 2.ouvrir tous les autres cavaliers Activer le module : Alimenter le module de la caméra en 5V. Placer la mire (bande blanche sur fond noir) face à l'objectif. Connecter le signal issu du module en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps le signal VTO et celui de sortie en CAV10. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. Relever les deux signaux pour deux types d'éclairements. La tension obtenue en CAV10 reste-t-elle identique? Que représente-t-elle? Comment se situe la valeur obtenue par rapport au niveau de noir? Commenter. La fonction FS 4.1 est-elle validée? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 14 / 19

15 OBSERVATION DE LA STRUCTURE : Quel est le mode de fonctionnement du CI TL082? ETUDE EXPERIMENTALE DE FS 4.2 Quelle est donc la fonction réalisée autour de ce CI? 1. ETUDE EXPERIMENTALE DE LA STRUCTURE Isoler la fonction sur la carte : ouvrir tous les cavaliers alimenter la carte en ±15V Régler le GBF afin de qu'il délivre un signal sinusoidal d'amplitude 1V, de fréquence f=50hz. Décrire le protocole de réglage de façon détaillée. Connecter ce signal en CAV10. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps les signaux d'entrée et de sortie de la fonction. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. - Visualiser la caractéristique de transfert en tension. La relever et en déduire l'amplification en tension A v. - Observer l évolution de A v pour f variant de 100Hz à 2MHz. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 15 / 19

16 2. ETUDE DE FS4.2 AVEC LE SIGNAL ISSU DE FS4.1 Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV1, CAV 8 et CAV10 ouvrir tous les autres cavaliers alimenter la carte en ±15V Activer le module : Alimenter le module de la caméra en 5V. Placer la mire (bande blanche sur fond noir) face à l'objectif. Connecter le signal issu du module en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps le signal VTO et celui en CAV11. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope (attention : ici synchronisation trame). Relever les deux signaux pour deux types d'éclairements. La tension obtenue en CAV11 reste-t-elle identique? Comment se situe la valeur obtenue par rapport au niveau de noir? Commenter. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 16 / 19

17 ETUDE EXPERIMENTALE DE FS 4.3 FS 4.3 V DD R 14 V CAV11 - LEVEL-Y VTO + LM 311N D Z3 OBSERVATION DE LA STRUCTURE : Quel est le mode de fonctionnement du LM311N? Quelle est la fonction réalisée autour de ce CI? Consulter la documentation technique et préciser ce que signifie les deux symbôles en sortie. Justifier la présence de R14. Quel est le nom d'une telle résistance? Quels seront donc les niveaux de tensions en sortie du LM311? 1. ETUDE EXPÉRIMENTALE : Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV9 ouvrir tous les autres cavaliers alimenter la carte en ±15V Connecter en CAV11 un signal continu de 0,5V. Régler le GBF afin de qu'il délivre un signal permettant d'observer le comportement de cette structure (fréquence 15.6kHz). Décrire le protocole de réglage de façon détaillée. Connecter ce signal en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps les signaux d'entrée (VTO) et de sortie (LEVEL-Y) de la fonction. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. Relever ces signaux. Quelles sont les valeurs prises en sortie (CAV11)? Sont-elles conforment aux prévisions? Quel est le composant qui agit alors? Justifier sa présence. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 17 / 19

18 VALIDATION DE FP 4 FS 4.3 V DD R 14 V CAV11 - LEVEL-Y VTO + LM 311N D Z3 Isoler la fonction sur la carte : fermer CAV1, CAV 8, CAV9, CAV10, CAV11 ouvrir tous les autres cavaliers alimenter la carte en ±15V Activer le module : Alimenter le module de la caméra en 5V. Placer la mire (bande blanche sur fond noir) face à l'objectif. Connecter le signal issu du module en VTO. Connecter les voies d'oscilloscope de telle manière que l'on puisse visualiser en concordance de temps le signal VTO et le signal LEVEL-Y. Préciser tous les réglages de l'oscilloscope. Observer ce qui se produit lorsque l'on déplace latéralement la bande blanche devant l'objectif. Relever les deux signaux pour une position de la bande. La fonction FP4 est-elle validée? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 18 / 19

19 DÉTERMINATION APPROXIMATIVE DE LA DISTANCE FOCALE DE L'OBJECTIF DE LA LENTILLE DE LA WEBCAM: 1. Quel type de lentille constitue l'objectif de la webcam? Justifier et faire un schéma de profil de la lentille. 2. Tracer les 3 rayons lumineux particuliers pour une lentille mince (Voir cours et TD 'lentilles Minces') 3. Décrire un protocole expérimental permettant de mesurer la distance focale de la lentille qui vous est remise. Rq: Ce n'est pas la lentille de vôtre Webcam (difficulté à extraire et à remettre sans dégradation du module), mais celle d'un appareil photo compact jetable, dont la distance focale est du même ordre de grandeur. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/05/09-ThemeEl09-webcam-SeancesTP-FA-FP4-FS21-FS22.odt-Djl-Page: 19 / 19