WO2012160264A1 - Procédé pour réaliser une correction de non uniformité de réponse des détecteurs photosensibles - Google Patents
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Definitions
- the proposed invention makes it possible to make a correction of the non-uniformity of the matrix detectors of the thermal cameras continuously and on a landscape background, that the camera is in motion (on a carrier, in rotation for a panoramic watch, ...) or not. It is applicable to all detectors, cooled or not.
- a simple electronic, wired logic type performs the detection of response errors of all the pixels of the image by comparison with the value of neighboring pixels. Local extremum detection is performed.
- a statistic principle based on the probability of having a pixel, a level, strictly greater or smaller than its neighbors, as a function of the camera's spatial bandwidth (MRTD: Minimum Resolvable Temperature Difference) makes it possible to correct a fraction of the (offset) error detected on this pixel.
- the correction value stored in a memory, is then adjusted.
- the statistical phenomenon being set up during the flow of images, the homogeneity defects of the various pixels are then progressively corrected.
- a detection of the dynamic range of the corrected pixel (hot point or cold point) and a storage of the previous corrections also makes it possible to correct the gain of the pixel.
- This method also makes it possible to detect the "dead" pixels of the detector and to make a "conventional" correction by replacing it with a neighboring pixel operating correctly. This method does not require adjustment and operates without threshold which makes it very robust.
- the invention relates to the basic treatments of thermal images. These treatments are generally carried out by the manufacturers of thermal cameras, but can also be made by detection systems, automatic or not, or by visualization systems or presentation of images (pre or post treatments).
- the correction of non-uniformity of the (thermal) sensors is generally carried out by measuring a uniform source placed in front of the detector (shutter or source of reference, or defocusing of the image by the lens).
- the method consists of exposing the sensor to as homogeneous a source as possible, measuring the result and storing the deviations in order to then provide an inverse correction. 1 000312
- Some methods also offer corrections from video stream analysis on images made with landscape backgrounds (without reference source). It is then necessary to make an analysis of the evolution of an intensity radiated by a portion of the scene in case of displacement in the image. These methods, which are much more complex than the device that is the subject of the invention, generally presuppose restrictions on the nature of the observed scene.
- the response of the detector pixels can be modeled approximately by a straight line: R ⁇ G y xP ⁇ + O ⁇
- G y is the gain of the pixel located at the coordinates i and j in the detector matrix, Oy being the offset of this same pixel.
- the intrinsic error of the detector is then for the pixel ij the difference Rij-Pij
- Gy gain correction is achieved by making two exposures of the detector at two different temperatures. A linear regression type calculation then makes it possible to estimate all of the two parameters.
- This operation disturbs the image pickup that is interrupted during the measurement of the responses of the elementary detectors.
- the "homogeneous source” is not perfect and generates with this process correction errors (at low spatial frequency) which can be detrimental to the quality of the image.
- the sources (or references) external to the camera see the internal shutter systems, are bulky and expensive.
- the invention relates to a device for real-time correction of inhomogeneity of thermal images, characterized in that it comprises:
- a matrix detector (of any technology, cooled or not,) placed behind an adapted optics
- a digitizing system that provides a digital image with two spatial dimensions and a value representative of the detected temperature
- Wired electronics or possibly a conventional computer programmed which includes a device for comparing values of neighboring pixels, calculation operators, parameter memories associated with each pixel.
- the invention also relates to an image analysis method which comprises the following steps:
- This process is performed in real time on the images.
- the correction being progressive, the optimum is obtained only after a certain time, depending on the scene observed.
- the Offset and Pixel Gain correction tables can be memorized, so that they can be reused instantly at the next start, thus increasing the speed of convergence and thus the production of quality corrected images.
- the correction made on the Pixel Offset is one step, which is the smallest unit measurable by the system. This level, lower than the electronic noise and the thermal noise of the images makes it possible to make a correction which thus leads to a correction better than these noises.
- the correction error will therefore be at most one step, therefore less than the noise.
- the invention thus amounts to averaging the corrections in time, whereas the traditional method previously averages the images to eliminate the noise, and makes a correction thereafter.
- the operation of the invention is identical, except for sources that appear punctually in the image. If the camera and the point source (target) are perfectly fixed in time, the Offset of the pixel considered may be subject to improper correction to the nearest neighborhood pixels. This case is very rare for the following reason: the resolution of modern detectors is generally more important than the stabilization of the line of sight and the point source is not always displayed in the same place. Moreover this risk of degradation of the final image is not very important because in this case we are at the limit of resolution of the image.
- a variant of the invention makes it possible to minimize the risk of occurrence of this defect at the cost of an increase in the filter convergence time. It is a question of interposing a step 2 bis to the process which consists in verifying that the pixel is extremum (of the same direction) in two successive images.
- the detection of an incorrect gain is made if a pixel on a dark source (cold object) is detected too dark and if the same pixel on a clear object (hot source) is detected too light or vice versa. It is therefore the natural variation of the visualized landscape that allows this very slow correction. This slowness is legitimate because the variation of the intrinsic gain of a pixel is small and very slow in time.
- the processing device therefore characterizes the pixels as dark or light according to an arbitrary and insignificant threshold. Pixels greater than 2/3 of the dynamics of the image will be considered as clear, pixels less than 1/3 of the dynamics will be considered dark. The other pixels
- Each pixel has a clear correction memory (CC) and a dark correction memory (CS). These memories are initialized at startup with zeros. If an offset correction is detected for a pixel, the memory corresponding to its level is initialized to +1 if the Offset is increased, and -.1 if it is decreased.
- CC clear correction memory
- CS dark correction memory
- the dead pixels that is to say having a constant response in time, will be detected by the device as local extremums at a much higher frequency than the others.
- the device therefore comprises a conventional counter system (incremented by the corrections and decremented regularly) or another conventional frequency measurement system in electronics or signal processing to detect these pixels.
- a specific memory will then be switched to a state storing this detection.
- the value of the pixel will then be replaced by the value of the last processed pixel having no defect.
- This method can also be used a posteriori on a recorded image sequence.
- a first pass on the images (or part of the images) making it possible to generate a table of correction of offsets and possibly gains of each pixel.
- This table is then used to correct the sequence or the entire film.
- This method therefore makes it possible to correct images a posteriori, even if an evaluation of the nonuniformity defects of the sensor has not been carried out before the image is taken.
Landscapes
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Abstract
Les détecteurs matriciels thermiques fournissent des images même sans lumière visible donc de nuit. Ces détecteurs peuvent être de plusieurs technologies (refroidis ou non) et être sensibles dans plusieurs longueurs d'onde. Mais dans tous les cas, ils présentent des disparités qui rendent les images, issues des caméras thermiques utilisant ces capteurs, non homogènes. Certains pixels, différents de leurs voisins, sont plus brillants ou plus sombres sur l'image. Cette non uniformité étant changeante dans le temps il est nécessaire de la corriger en temps réel et si possible sans masquer l'image par une source homogène. Cette correction est généralement appelée NUC (Non Uniformity Correction). Par un procédé utilisant des calculs simples, par exemple intégrés dans un circuit de logique câblé (FPGA) proche du détecteur, l'invention permet de corriger la réponse de ces détecteurs en permanence, d'un niveau inférieur aux bruits intrinsèques du détecteur, même sur un fond de paysage texturé ou non, en défilement ou fixe. Ce procédé repose sur une convergence lente d'une table de correction pixel par pixel qui est mise à jour par une détection des pixels extremum locaux; il est donc sans seuil, sans réglage et fonctionne pour tous les détecteurs. II convient particulièrement aux applications de détections de cibles de très petites tailles dans les images. Le procédé est également applicable à posteriori sur des séquences d'images enregistrées, ce qui est impossible avec les procédés conventionnels de calibration par source homogène de référence qui obligent à calibrer la caméra avant la prise d'images.
Description
Titre : Procédé pour réaliser une correction de non uniformité de réponse des détecteurs photosensibles.
Résumé :
L'invention proposée permet de faire une correction de la non uniformité des détecteurs matriciels des caméras thermiques en continu et sur un fond de paysage, que la caméra soit en mouvement (sur un porteur, en rotation pour une veille panoramique, ...) ou non. Elle est applicable à tous les détecteurs, refroidis ou non. Une électronique simple, de type logique câblée, réalise la détection des erreurs de réponse de l'ensemble des pixels de l'image par comparaison avec la valeur des pixels voisins. Une détection de type extremum local est réalisée. Un principe de statistique, basée sur la probabilité d'avoir un pixel, d'un niveau, strictement supérieur ou inférieur à ses voisins, en fonction de la bande passante spatiale de l'ensemble caméra (MRTD : Minimum Resolvable Température Différence) permet de corriger une fraction de l'erreur (d'offset) détectée sur ce pixel. La valeur de correction, mémorisée dans une mémoire, est alors ajustée. Le phénomène statistique se mettant en place au cours du flux des images, les défauts d'homogénéité des différents pixels sont alors progressivement corrigés. Une détection de la zone de dynamique du pixel corrigé (point chaud ou point froid) et une mémorisation des corrections précédentes permet de faire également une correction sur le gain du pixel. Ce procédé permet également de détecter les pixels "morts" du détecteur et d'y apporter une correction "classique" par remplacement par un pixel voisin fonctionnant correctement. Cette méthode ne nécessite pas de réglage et fonctionne sans seuil ce qui la rend très robuste.
Domaine technique :
L'invention concerne les traitements de base des images thermiques. Ces traitements sont généralement réalisés par les fabricants de caméras thermiques, mais peuvent également être réalisés par des systèmes de détection, automatique ou non, ou par des systèmes de visualisation ou de présentation des images (pré ou post traitements).
L'ensemble des technologies des détecteurs thermiques est concerné, refroidie ou non. Même si les erreurs d'homogénéité sont différentes suivant les détecteurs, le procédé, étant auto adaptatif, peut être utilisé efficacement.
Etat de l'art :
Actuellement les correction de non uniformité des capteurs (thermiques) sont généralement réalisées par mesure d'une source uniforme placée devant le détecteur (obturateur ou source de référence, ou défocalisation de l'image par l'objectif).
Le procédé consiste à exposer le capteur à une source la plus homogène possible, de mesurer le résultat et de mémoriser les écarts afin d'apporter ensuite une correction inverse.
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Certaines méthodes proposent également des corrections à partir d'analyse de flux vidéo sur des images réalisées avec des fonds de paysage (sans source de référence). Il s'agit alors de faire une analyse de l'évolution d'une intensité rayonnée par une portion de la scène en cas de déplacement dans l'image. Ces méthodes, beaucoup plus complexes que le dispositif objet de l'invention, suppose en général des restrictions sur la nature de la scène observée
(stationnarité dans le temps, ...).
La réponse des pixels du détecteur peut être modélisée approximativement par une droite : R^ GyxP^ + O^
Ou Gy est le gain du pixel situé aux coordonnées i et j dans la matrice de détecteur, Oy étant l'offset de ce même pixel. L'erreur intrinsèque au détecteur est alors pour le pixel ij la différence Rij-Pij
L'exposition à un seul niveau de température ne permet pas de faire la correction due au terme Gy. Mais par ailleurs, ce terme Gy est généralement beaucoup plus stable dans le temps, et donc ne nécessite que peu de variation de correction.
La correction du gain Gy est réalisée en faisant deux expositions du détecteur à deux températures différentes. Un calcul de type régression linéaire permet alors d'estimer l'ensemble des deux paramètres.
La variation dans le temps du paramètre Oy dépend de la technologie du détecteur utilisé, mais oblige dans tous les cas à faire cette correction relativement souvent (à chaque démarrage, et environ toutes les heures en fonction des variations thermiques de
l'environnement du détecteur)
Cette opération perturbe la prise d'image qui est interrompue pendant la mesure des réponses des détecteurs élémentaires.
De plus les bruits électroniques et thermiques perturbent la mesure de réponse des pixels réalisée sur la source homogène. Ces mesures sont donc réalisées sur plusieurs images afin de moyenner les mesures et de minimiser ces bruits. Ce procédé est consommateur de temps.
Enfin "la source homogène" n'est pas parfaite et génère avec ce procédé des erreurs de correction (à basse fréquence spatiale) qui peuvent être dommageables à la qualité de l'image.
Les sources (ou références) externes à la caméra, voir les systèmes d'obturateurs internes, sont volumineux et coûteux. L'invention qui permet de supprimer ce besoin permet donc des gains de place et de coût sur la caméra.
Exposé de l'invention :
L'invention concerne un dispositif de correction en temps réel de non homogénéité des images thermiques, caractérisé en ce qu'il comprend :
• Un détecteur matriciel (de toute technologie, refroidie ou non), placé derrière une optique adaptée,
• Un système de digitalisation qui fournit une image numérique à deux dimensions spatiales et une valeur représentative de la température détectée
• Une électronique câblée (ou éventuellement un calculateur programmé classique) qui comporte un dispositif de comparaison de valeurs de pixels voisins, des opérateurs de calcul, des mémoires de paramètres associées à chaque pixel.
• Eventuellement une mémoire non volatile pour mémoriser les corrections en cas de coupure de tension.
L'invention concerne également un procédé d'analyse des images qui comporte les étapes suivantes :
1. le calcul de correction de l'image en fonction des tables de correction calculées et mémorisées
2. la mesure des extremums locaux dans l'image (comparaison stricte avec les proches voisins)
3. la modification d'un pas de la valeur d'offset du pixel extremum (détecté par l'étape 2) dans le sens inverse à son écart par rapport aux voisins
4. la mémorisation de la valeur du pixel, ainsi que la correction effectuée
5. l'analyse des différentes corrections effectuées dans le passé et la recherche d'erreur sur le gain du pixel
6. la modification éventuelle (en fonction de l'étape 5) d'un pas de la valeur de gain du pixel dans le sens identifié. Puis la remise à zéro éventuelle des mémoires des corrections effectuées sur ce pixel.
7. l'analyse de la fréquence de correction du pixel, ou des niveaux d'erreur d'offset, et caractérisation du pixel comme "pixel mort". Puis la correction de ce pixel.
(Voir schéma 3 : Organigramme)
Ce procédé est effectué en temps réel sur les images. La correction étant progressive, l'optimum n'est obtenue qu'après un certain temps, dépendant de la scène observée.
On peut observer que l'exposition à une scène homogène (méthode classique) permet d'accélérer la convergence de la correction, mais n'est plus nécessaire, grâce à cette invention.
A l'extinction de la caméra les tableaux de correction d'Offset et de Gain par pixel peuvent être mémorisés, afin d'être réutilisés instantanément au prochain démarrage, augmentant ainsi la vitesse de convergence et donc la production d'images corrigées de qualité.
La correction effectuée sur l'Offset du pixel est d'un pas, soit la plus petite unité mesurable par le système. Ce niveau, inférieur au bruit électronique et au bruit thermique des images permet de faire une correction qui aboutit donc à une correction meilleure que ces bruits.
Dans le cas d'une source homogène, si l'on considère la correction stabilisée dans le temps, ce sont les bruits qui, additionnés au signal, vont déterminer les pixels "extremum locaux". Un pixel vu comme trop brillant par le dispositif verra son offset diminué d'un pas.
Statistiquement, si cette correction était abusive, le pixel apparaîtra dans un temps
indéterminé comme trop sombre, et bénéficiera d'une correction inverse. L'erreur de correction sera donc au maximum d'un pas, donc inférieure aux bruits. L'invention revient donc à moyenner les corrections dans le temps, alors que la méthode traditionnelle moyenne au préalable les images pour éliminer le bruit, et effectue une correction par la suite.
Si la source n'est pas homogène, le fonctionnement de l'invention est identique, sauf pour les sources qui apparaissent ponctuelle dans l'image. Si la caméra et la source ponctuelle (cible) sont parfaitement fixes dans le temps, l'Offset du pixel considéré risque de subir une
correction abusive jusqu'à la valeur des pixels du voisinage les plus proches. Ce cas est très rare pour la raison suivante : la résolution des détecteurs modernes est généralement plus importante que la stabilisation de la ligne de visée et la source ponctuelle n'est pas visualisée toujours au même endroit. De plus ce risque de dégradation de l'image finale n'est pas très important car dans ce cas nous sommes à la limite de résolution de l'image. Dans le cas d'observation dans une direction stabilisée par un moyen extérieur (gyrostabilisation par exemple) une variante de l'invention permet de minimiser le risque d'apparition de ce défaut au prix d'une augmentation du temps de convergence du filtrage. Il s'agit d'interposer une étape 2 bis au procédé qui consiste à vérifier que le pixel est extremum (de même sens) dans deux images successives.
(Voir schéma 1 : Pixel « statistiquement trop brillant »)
La détection d'un Gain incorrect est réalisée si un pixel sur une source sombre (objet froid) est détecté trop sombre et si ce même pixel sur un objet clair (source chaude) est détecté trop claire ou inversement. C'est donc la variation naturelle du paysage visualisé qui permet cette correction très lente. Cette lenteur est légitime, car la variation du Gain intrinsèque d'un pixel est faible et très lente dans le temps. Le dispositif de traitement caractérise donc les pixels comme sombres ou clairs en fonction d'un seuil arbitraire et non significatif. Les pixels supérieurs à 2/3 de la dynamique de l'image seront considérés comme clairs, les pixels inférieurs à 1/3 de la dynamique seront considérés comme sombres. Les autres pixels
(compris en 1/3 et 2/3) ne seront pas considérés. Chaque pixel comporte une mémoire de correction claire (CC) et une mémoire de correction sombre (CS). Ces mémoires sont initialisées au démarrage par des zéros. Si une correction d'offset est détectée pour un pixel, la mémoire correspondante à son niveau est initialisée à +1 si l'Offset est augmenté, et -.1 si il est diminué.
Si une configuration CS = +1 et CC = -1 est détectée, le Gain du pixel est diminué d'un pas et les mémoires CS et CC sont réinitialisées à 0.
Si une configuration CS = -1 et CC = +1 est détectée, le Gain du pixel est augmenté d'un pas et les mémoires CS et CC sont réinitialisées à 0.
(Voir schéma 2 : Correction de l'offset puis correction du gain)
Les pixels morts, c'est-à-dire ayant une réponse constante dans le temps, vont être détectés par le dispositif comme étant des extremums locaux à une fréquence beaucoup plus importante que les autres. Le dispositif comporte donc un système classique de compteur (incrémenté par les corrections et décrémenté régulièrement) ou un autre système de mesure de fréquence traditionnelle en électronique ou en traitement du signal pour détecter ces pixels.
Une mémoire spécifique sera alors basculée dans un état mémorisant cette détection. La valeur du pixel sera alors remplacée par la valeur du dernier pixel traité n'ayant pas de défaut. Les avantages de cette invention sont qu'elle permet une détection des erreurs de non uniformité sans réglage (sans seuil) et sans outillage ou moyen externe (sources homogènes). En outre la correction est réalisée en temps réel et sans perturber le flux d'image qui peux être utilisé en permanence pour de la visualisation ou pour des traitements autres (poursuite de cibles, détection automatique, ...).
Ce procédé peut également être utilisé à posteriori sur une séquence d'image enregistrée. Une première passe sur les images (ou une partie des images) permettant de générer une table de
correction des offsets et éventuellement des gains de chaque pixel. Cette table étant ensuite utilisée pour corriger la séquence ou le film en entier. Cette méthode permet donc de corriger des images à posteriori, même si une évaluation des défauts de non uniformité du capteur n'a pas été réalisée avant la prise d'image. Ces corrections à posteriori n'étant pas réalisables dans le cas de correction de Non Uniformité classique par visualisation d'une scène homogène de référence.
Claims
1. Procédé de correction en temps réel de non uniformité des détecteurs matriciels
utilisés pour faire des images thermiques caractérisé par les étapes suivantes :
a. Correction des non uniformité de chaque pixel par sommation avec une table de correction d'offset..
b. Détection des pixels extremum locaux par comparaison de leur valeur par rapport à la valeur des pixels voisins proches,
c. Modification de la valeur de la table de correction pour les pixels extremum d'un pas dans le sens inverse de l'écart par rapport aux voisins.
2. Procédé selon la revendication 1 qui corrige également les défauts de gain de chaque pixel et caractérisé par l'ajout des étapes suivantes :
a. Mémorisation des corrections effectuées dans le temps permettant de corriger le gain affecté à chaque pixel en deux tables : Une pour les pixels clairs et une pour les pixels sombres
b. Détection de corrections opposés dans les deux tables sombre et claire et dans ce cas modification du gain par augmentation ou diminution d'une valeur très faible, puis remise à zéro des tables claires et sombres.
3. Procédé selon la revendication 1 qui détecte les pixels « mort » (insensible au
paysage) et caractérisé par l'ajout d'une étape de détection de fréquence de correction consécutive importante (et anormale) d'un pixel.
4. Procédé selon la revendication 1 qui accélère la convergence des valeurs d'offsets vers les valeurs de la structure fixe du capteur sans faire disparaître d'éventuels détails de la scène dans une image fixe (caméra immobile) en modifiant l'étape c de la revendication 1 et caractérisé par la valeur de correction de l'offset des pixels qui est différente en fonction du temps (plus importante pour les premières images) ou en fonction du balayage du fond, détecté par mouvement dans l'image ou par un capteur externe.
5. Procédé selon la revendication 1 qui réalise une correction rapide dès les premières images et caractérisé par l'ajout d'une étape d'initialisation des valeurs de correction d'offset à des valeurs mémorisées lors de correction antérieur.
6. Procédé selon la revendication 1 mais hors temps réel et caractérisé en ce qu'il réalise la correction à posteriori sur une séquence d'image. La table des valeurs de correction d'offset et éventuellement de gain suivant la revendication 2 étant ensuite appliquée à l'ensemble des images.
7. Dispositif qui met en œuvre le procédé cité dans les revendications 1 à 5 par
l'utilisation de circuits électroniques basés sur des fonctions simples (comparateurs, mémoires, additionneurs,...) ou par l'utilisation d'un circuit intégré de type FPGA.
8. Dispositif selon la revendication 6, et caractérisé par l'utilisation d'une mémoire électronique non volatile de la taille du nombre de pixel dans les images pour conserver dans le temps et même après extinction de l'alimentation le la caméra, les données de correction. Au démarrage, après une mise sous tension les corrections
(offset) sont initialisées par cette mémoire.
9. Programme informatique qui réalise une correction de non uniformité en réalisant les étapes du procédé mentionné dans les revendications 1 à 6
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/FR2011/000312 WO2012160264A1 (fr) | 2011-05-24 | 2011-05-24 | Procédé pour réaliser une correction de non uniformité de réponse des détecteurs photosensibles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/FR2011/000312 WO2012160264A1 (fr) | 2011-05-24 | 2011-05-24 | Procédé pour réaliser une correction de non uniformité de réponse des détecteurs photosensibles |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2012160264A1 true WO2012160264A1 (fr) | 2012-11-29 |
Family
ID=44262831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/FR2011/000312 Ceased WO2012160264A1 (fr) | 2011-05-24 | 2011-05-24 | Procédé pour réaliser une correction de non uniformité de réponse des détecteurs photosensibles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2012160264A1 (fr) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0164222A1 (fr) * | 1984-05-09 | 1985-12-11 | Xerox Corporation | Système de correction des éléments d'image non uniformes |
| US5925880A (en) * | 1996-08-30 | 1999-07-20 | Raytheon Company | Non uniformity compensation for infrared detector arrays |
| EP1206128A1 (fr) * | 2000-11-10 | 2002-05-15 | Zeiss Optronik GmbH | Procédé d'égalisation des inhomogénéitiés technologiques dans des éléments individuels d'un détecteur de prise de vues |
-
2011
- 2011-05-24 WO PCT/FR2011/000312 patent/WO2012160264A1/fr not_active Ceased
Patent Citations (3)
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 11728311 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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Ref document number: 11728311 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |