Capteurs Cours #1 : Capteurs 2D CCD Par : Bernard Besserer Terminologie Dimensions / Taille de l image largeur x hauteur en pixels, par exemple 640 x 480 ou 1920 x 1080 Résolution points par pouce (dpi : dots per inch) en relation avec la taille d origine du document Profondeur nbre de bits par pixel, par exemple 24 bits/pixel (2 24 = 16 millions de nuances de couleurs) Dynamique nbre de bits par composante, par exemple 8 bits par composante = 256 valeurs possibles 2
Représentation en monochrome Binaire pixels : noir / blanc Niveaux de gris Monochrome : noir blanc avec des niveaux intermédiaires Les caméras fournissent des grandeurs analogiques L'échantillonnage est possible sur 8, 10, 16 bits Souvent Max. 256valeurs discrètes 0 1 3 0 255 Acquisition : matriciel vs linéaire Avec un capteur CCD matriciel Avec un capteur CCD matriciel (camescope, appareil photo numérique) Avec 3 capteurs CCD matriciels (camescope pro) Avec un capteur CCD linéaire (Scanner à plat, scanner film), en 1 ou en 3 passes Pour inspecter des parois de produit cylindrique tel que des tuyaux, des boîtes de conserve, des bouteilles Capteur Capteur Document 4 Document
Acquisition Capteurs CCD : photons (la lumière) électrons (charge électrique) Discrétisation + Quantification Caméra, Appareil photo numérique, Caméscope, Satellite de télédétection 5 Principes d'un capteur CCD La matrice CCD est constitué de puits de potentiel. Ces puits de potentiels capturent les électrons créés par les photons. 6
Principes d'un capteur CCD La principale difficulté est dans la lecture de la matrice. Elle s'effectue séquentiellement. 7 Lecture des informations Exemple de lecture des charges 8
Transfert des charges Le transfert des charges est appelé bucket brigade (chaîne de seau). Il faut évacuer les charges électronique "sans les mélanger" 9 CDD 3 phases 10
CCD 2 phases 11 Animation du transfert de charges 12
Artefacts des capteurs CCD La rémanence (LAG) pour les sites photosensibles type photodiode : impossibilité de lire toutes les charges en même temps. L information persiste pendant 2 à 3 cycles de lecture. Le traînage vertical (Smearing) L'effet de "Smearing" apparaît au moment du transfert lorsqu'un puits de potentiel passe dans une zone suréclairée. L'erreur due a ce phénomène dépend de l intensité lumineuse et du temps ou le puits de potentiel se trouve dans cette zone. Cette caractéristique est particulièrement visible sur des images à forts contrastes (image d une lumière infrarouge par exemple). 13 Le traînage vertical 14
Types de capteurs CCD : intertrame On distingue les CCD pleine trame et les CCD à mémoire de trame. Les CCD pleine trame sont pourvus d'une fenêtre qui accepte la lumière sur tous les photoéléments alors qu'un CCD à mémoire de trame est coupé en deux par un masque d'aluminium qui sert de mémoire à l'image. Le timing fourni au capteur CCD permet de transférer très vite l'image dans la zone masquée. L'image est alors lue à la "fréquence vidéo" tandis que la nouvelle image est capturée dans la zone exposée. Capteur idéal pour une bonne définition d'image (pixels jointifs). 15 Types de capteur CCD : interlinge 16 Il existe aussi des capteurs à transfert de ligne. Une zone masqué existe entre chaque ligne (ou colonne) de l'image. Sur un seul top, toutes les lignes de toute l'image sont transférées dans la zone masquée. La lecture est effectué à la cadence vidéo, pendant que la nouvelle image est intégrée. Attention : pixels non jointifs. Mais bonne caractéristique dynamique (capture d'images en mouvement)
Transfert des charges en 4 étapes direction du décalage direction du décalage signal de sortie analogique 17 direction du décalage Architecture des capteurs CCD 18
Conformité avec la TV analogique La plupart des caméras respectent les normes vidéo analogiques (généralement PAL) : 25 images/sec, entrelacement (donc 50 trames/sec), 625 lignes dont 575 sont visibles. Il faut pouvoir brancher directement un moniteur de contrôle Il faut pouvoir enregistrer le signal sur un magnétoscope Une carte d'acquisition numérise le signal si l'image doit être traité sur ordinateur Les paramètres de l image acquise peut differer de l image capturée par le CCD 19 Entrelacement des images L'entrelacement est gênant pour le traitement d'image si il y a mouvement. Très souvent, l'acquisition même de l'image est effectué en mode entrelacé 20
Caméra à sortie numérique Il existe des caméras intégrant l'ensemble de l'image à l'instant T (mode progressif) et transmettant les trames successivement Il existe des caméras 100% progressives Changer d'interface une interface numérique s'impose (IEEE 1394, CameraLink, USB2) La présence d'une interface numérique ne signifie pas que les images sont produites en mode progressif! 21 Représentation en couleurs Couleurs Trichromacité : 3 plans, composantes, canaux Couleurs réelles (True colors) : 16 millions Il faut que le capteur décompose l'information sur au moins 3 canaux. Il existe des caméras multispéctrales Couleurs indexées Palette Max. 256 couleurs 22
Acquisition 3CCD Séparer les composantes avec des filtres : Caméra professionnelle tri-tube ou tri CCD 23 Pour faire de la couleur avec un seul capteur CCD, les éléments sensibles sont recouvert d une mosaïque : le filtre de Bayer Acquisition couleur monocapteur 24
Acquisition couleur monocapteur L image est transférée séquentiellement hors de la matrice CCD. La «fabrication» de l image couleur est effectué par l électronique de la caméra. Cette opération est appelé Demosaicing 25 Les artéfacts du filtre de Bayer : aliasing couleur. Acquisition couleur monocapteur 26
Un filtre passe bas optique est donc placé sur le filtre de Bayer = l image est donc rendue «floue» La résolution réelle de l image couleur est inférieure a celle du nombre de pixels du capteur CCD Acquisition couleur monocapteur 27