FR2683109A1 - Procede pour la mise au point d'un appareil de prise de vues et appareil de prise de vues mettant en óoeuvre ce procede. - Google Patents

Abstract

Pour la mise au point d'un appareil de prise de vues muni de moyens (4) de numérisation d'image, on numérise une succession d'images sous la forme d'un ensemble de pixels (8) caractérisés chacun par un niveau de gris, on définit au moins une direction orientée (dx, dy) dans le plan de l'image, on saisit (10) et numériser une succession d'images, et on détermine (13), pour au moins certains pixels de chaque image, le gradient du niveau de gris dans cette direction. On établit (14) l'histogramme des gradients, et on analyse (15, 16) les histogrammes relatifs à deux images successives dans leur partie correspondant aux forts gradients de niveau de gris en vue de déterminer quel histogramme est le plus élevé dans cette partie. L'image la mieux focalisée est celle possédant cet histogramme.

Description

La présente invention concerne un procédé pour la mise au point d'un appareil de prise de vues muni de moyens de numérisation d'image, ainsi qu'un tel appareil de prise de vues comprenant des moyens pour la mise en oeuvre du procédé.

Plus particulièrement, l'invention concerne un tel procédé dans lequel on numérise une succession d'images sous la forme d'un ensemble de pixels, caractérisés chacun par un niveau de gris.

On sait qu'il n'existe pas de critère absolu indiquant si une image est focalisée ou non.

En revanche, on peut généralement considérer qu'une image mieux focalisée qu'une autre du même sujet, ou mieux mise au point, présente plus de contraste que cette autre image.

On connaît des critères de focalisation et des algorithmes de focalisation automatique fondés sur l'utilisation d'images analogiques, par exemple le critère de la densité spectrale d'énergie.

Pour ce qui est des images numérisées, les seuls procédés connus font appel à la télémétrie.

La télémétrie n'est toutefois pas utilisable lorsque l'on exige que le systeme de mise au point soit passif vis à vis de l'extérieur.

La présente invention vise en conséquence à fournir un procédé de mise au point passif utilisant des images numérisées.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour la mise au point d'un appareil de prise de vues muni de moyens de numérisation d'image, dans lequel on numérise une succession d'images sous la forme d'un ensemble de pixels caractérisés chacun par un niveau de gris, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à a) définir au moins une direction orientée dans le plan
de l'image, b) saisir et numériser une première image, c) déterminer, pour au moins certains pixels de la
première image, le gradient du niveau de gris dans
ladite direction, d) établir l'histogramme desdits gradients, e) entrainer dans un sens donné des moyens de mise au
point de l'appareil de prise de vues, f) saisir et numériser une deuxième image, g) répéter sur la deuxième image les étapes b) à d), h) analyser les histrogrammes relatifs aux deux images
dans leur partie correspondant aux forts gradients de
niveau de gris en vue de déterminer quel histogramme
est le plus élevé dans ladite partie, et i) entrainer les moyens de mise au point de l'appareil
de prise de vues dans le même sens qu'au cours de
l'étape e) s'il resssort de l'analyse que
l'histrogramme relatif à la deuxième image est plus
élevé que celui relatif à la première image dans sa
partie correspondant aux forts gradients de niveau de
gris, et en sens inverse dans le cas contraire.

Bien entendu, dans le cas notamment d'une caméra ou de nouvelles images sont saisies en permanence, le procédé est avantageusement mis en oeuvre en temps réel, les moyens de mise au point étant répétitivement et cycliquement entraînés, pour assurer en permanence la mise au point des images successives, notamment lorsque soit le sujet, soit le caméra se déplace.

Le procédé selon l'invention consiste donc pour l'essentiel à acquérir deux images successives entre lesquelles est opérée soit une focalisation soit une défocalisation, à établir pour ces deux images les histogrammes de gradients de gris et, en fonction des résultats d'une analyse de ces histogrammes, à poursuivre l'opération de mise au point s'il s'agissait d'une opération de focalisation ou a inverser cette mise au point s'il s'agissait d'une opération de défocalisation.

Au démarrage, on peut par exemple focaliser l'appareil de prise de vues sur l'infini, puis commencer à rapprocher la focalisation. Si le sujet est effectivement à l'infini, alors l'analyse des histogrammes montrera que la deuxième image est moins focalisée que la première, et l'on retournera à la focalisation à l'infini. Si au contraire, le sujet est relativement proche, l'analyse des histrogrammes montrera que la deuxième image est mieux focalisée que la première et l'on continuera à rapprocher le plan de focalisation.

On remarquera que, dans sa partie correspondant aux forts gradients de niveau de gris, un histogramme traduit la présence ou l'absence dans l'image de lignes fortement contrastées, c'est-å-dire de lignes d'un côté desquelles l'image est très sombre et de l'autre côté desquelles l'image est très claire. Cette partie des histogrammes peut donc être considérée comme caractéristique du plus ou moins fort contraste de l'image et, par voie de conséquence, de sa plus ou moins bonne mise au point.

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, en vue d'analyser lesdits histogrammes, on soustrait l'histogramme relatif à la deuxième image de l'histogramme relatif à la premiere image, et on analyse la partie de la courbe différence correspondant aux forts gradients de niveau de gris.

Plus particulièrement, on peut en vue d'analyser la partie de la courbe différence correspondant aux forts gradients de niveau de gris, effectuer une sommation de la courbe différence pondérée par une fonction suffisamment croissante du gradient du niveau de gris.

La courbe différence a bien entendu une somme nulle puisque la sommation de chaque histogramme individuel donne un nombre égal au nombre de pixels de l'image, multiplié par le nombre de directions dans lesquelles on détermine le gradient.

En pondérant la courbe différence par une fonction croissante du gradient du niveau de gris, on favorise la partie des histogrammes correspondant aux forts gradients.

Par l'expression "suffisamment croissante", on entend une fonction qui, expérimentalement, donne un résultat satisfaisant selon le critère ultérieurement appliqué au résultat de la sommation. On verra ci-après le cas d'une fonction suffisamment croissante et le cas d'une fonction insuffisamment croissante pour un critère simple donné à titre d'exemple.

Dans tous les cas, l'homme de métier pourra choisir heuristiquement une fonction qui convienne.

On peut, à titre d'exemple, pondérer la courbe différence par le carré du gradient du niveau de gris.

Le critère appliqué au résultat de la sommation peut être plus ou moins complexe, mais dans un cas particulièrement simple on entraine au cours de l'étape i) les moyens de mise au point de l'appareil de prise de vues dans le même sens qu'au cours de l'étape e) si la somme est négative, et en sens inverse si la somme est positive.

I1 est également possible, en vue d'analyser la partie de la courbe différence correspondant aux forts gradients de niveau de gris, d'effectuer une double sommation de la courbe différence.

Plus particulièrement, on entraîne alors au cours de l'étape i) les moyens de mise au point de l'appareil de prise de vue dans le même sens qu'au cours de l'étape et si la double somme est positive, et en sens inverse si la double somme est négative.

On a notamment constaté que ce critère donnait de bons résultats dans le cas d'une application à un paysage réel.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, en vue d'analyser les histogrammes dans leur partie correspondant aux forts gradients de niveaux de gris, on détermine l'histogramme dans lequel intervient le plus fort gradient de niveau de gris.

Plus particulièrement, on entraine au cours de l'étape i) les moyens de mise au point de l'appareil de prise de vues dans le même sens qu'au cours de l'étape e), si l'histogramme relatif à la deuxième image possède un plus fort gradient de niveau de gris supérieur au plus fort gradient de niveau de gris de l'histogramme relatif à la première image, et en sens inverse dans le cas contraire.

On remarquera que ce dernier critère, bien qu'apparemment plus simple que le précédent, doit toutefois être manipulé avec des précautions, car le plus fort gradient de niveau de gris d'un histogramme peut résulter de pointes de bruit.

Plusieurs solutions permettent de tourner cette difficulté.

On peut par exemple vérifier que le plus fort gradient de niveau de gris n'est pas isolé dans l'histogramme et ne prendre comme plus fort gradient, que le plus fort gradient de la première plage rencontrée sur toute laquelle l'histogramme présente des valeurs non nulles.

Une telle plage peut par exemple comprendre trois niveaux de gris successifs.

I1 est également possible d'atténuer l'influence du bruit en convoluant l'image par un filtre passe-bas avant d'établir l'histogramme.

On peut également effectuer une intégration de trames, c'est-à-dire une somme et une moyenne de plusieurs images successives.

On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels - la figure 1 représente un dispositif de prise de vues
conforme à l'invention, - la figure 2 illustre la détermination des gradients de
niveaux de gris d'une image, - la figure 3 représente les histogrammes des gradients
de niveaux de gris de deux images
successives, - la figure 4 représente la courbe différence des deux
histrogrammes de la figure 3, - la figure 5 est un organigramme de l'algorithme mis en
oeuvre dans le procédé selon l'invention, - la figure 6 représente l'image d'un sujet mis au point
sur une barrette de détecteurs
photosensibles, - les figures 7a à 7c représentent la sortie de ces
photodétecteurs pour différentes
mises au point de l'objectif, - les figures 8a à 8c sont les histogrammes des
gradients des figures 7a à 7c
respectivement, pour un premier
mode de détermination des
gradients, - les figures 9a à 9c correspondent aux figures 8a à 8c
pour un deuxième mode de
détermination des gradients, - la figure 10a est la courbe différence des
histogrammes des figures 8a et 8b, - la figure 10b est la courbe différence des
histogrammes des figures 8b et 8c,et - les figures îla et llb correspondent aux figures 10a
et 10b mais sont relatives aux
figures 9a à 9c, - la figure 12 représente l'image d'un autre sujet
également mis au point sur une barrette
de détecteurs photosensibles, - les figures 13a à 13c représentent la sortie de ces
photodétecteurs pour différentes
mises au point de l'objectif, - les figures 14a à 14c sont les histogrammes des
gradients des figures 13a à 13c
respectivement, - la figure 15a est la courbe différence des
histogrammes des figures 14a et 14b, - la figure 15b est la courbe différence des
histogrammes des figures 14b et 14c, - la figure 16a illustre la sommation de la courbe
différence de la figure 15a, - la figure 17a illustre la sommation de la courbe de la
figure 16a, et - les figures 16b et 17b correspondent aux figures 16a
et 17a mais sont relatives à la
courbe différence de la figure
15b.

La figure 1 représente une caméra de type connu, par exemple une caméra CCD infra-rouge, comportant un objectif 1, un système de balayage 2, un réseau plan ou une barrette 3 d'éléments photosensibles et un circuit de numérisation 4. Les images numérisées sont successivement mémorisées dans une mémoire 5.

La mise au point de l'objectif 1 est réalisée à l'aide d'un moteur 6 commandé par un processeur 7 de traitement des images mémorisées dans la mémoire 5.

La figure 2 représente une image saisie par la caméra ou une portion d'une telle image. Cette image est constituée de pixels 8, dont le niveau de gris est stocké dans la mémoire 5 sur un certain nombre de bits.

A titre d'exemple, on dispose de 256 niveaux de gris si le codage est effectué sur huit bits. On appelle V (x, y) la valeur du niveau de gris du pixel de position x, y.

On définit dans le plan de l'image deux directions orientées représentées par les vecteurs dx et dy. Dans le cas présent le vecteur dx est un vecteur horizontal orienté de gauche à droite et le vecteur dy est un vecteur vertical orienté de haut en bas. Les longueurs des vecteurs dx et dy sont des multiples de la dimension d'un pixel.

Par conséquent, à chaque pixel 8 de l'image sont associés deux autres pixels 8' et 8" par l'intermédiaire des vecteurs dx et dy respectivement.

La valeur du niveau de gris du pixel 8' est V (x + dx, y) et la valeur du niveau de gris du pixel 8" est V (x,
Y + dy).

Pour chaque pixel de l'image, on calcule alors
Ex =I V (x, y) - V (x + dx, y) et
Ey =I V (x,y) - V (x, y + dy)l
Ex et Ey sont par conséquent les valeurs absolues des gradients de niveau de gris dans les directions dx et dy.

On établit ensuite un histogramme des valeurs de E, c'est-à-dire que, pour chaque valeur k de niveau de gris, on détermine le nombre T(k) de pixels pour lesquels Ex ou Ey a la valeur k.

La figure 3 représente les histogrammes relatifs à deux images successives n et n + 1 saisies alors que le moteur 6 tourne dans un sens donné.

On peut observer deux choses sur la figure 3. Tout d'abord l'histogramme relatif à l'image n + 1 est globalement plus élevé que l'histogramme relatif à l'image n pour les grandes valeurs de k, c'est-à-dire pour les forts gradients de niveaux de gris. D'autre part, la valeur km (n + 1) du plus fort gradient dans l'image n + 1 est supérieure à la valeur km (n) du plus fort gradient dans l'image n.

On déduit de ces deux remarques que l'image n + 1 est plus contrastée que l'image n (elle présente de plus forts écarts de niveau de gris entre pixels voisins) et par conséquent que l'image n + 1 est mieux mise au point, ou plus focalisée, que l'image n.

On poursuit par conséquent la mise au point en continuant à faire tourner le moteur 6 dans le même sens.

Si les histogrammes relatifs aux images n et n + 1 avaient été inversés, on en aurait conclu que l'image n + 1 était moins contrastée que l'image n et par conséquent moins bien mise au point, et l'on aurait alors inversé le sens de rotation du moteur 6.

Le critère du plus grand km peut être immédiatement mis en oeuvre sous réserve des précautions à prendre mentionnées ci-dessus. I1 suffit d'ailleurs d'examiner successivement les valeurs des gradients pour tous les pixels, sans qu'il soit nécessaire de mémoriser les histogrammes.

Par contre, le critère général relatif aux élévations des histogrammes dans leur partie correspondant aux grandes valeurs de k nécessite leur mémorisation.

Une fois les histogrammes relatifs aux images n et n + 1 mémorisés, on soustrait l'histogramme relatif à l'image n + 1 de l'histogramme relatif à l'image n
Fn + 1 (k) = Tn (k) - Tn + 1 (k)
La courbe différence correspondante est représentée à la figure 4. Bien entendu la surface 9 située sous l'axe des k est égale à la surface 9' située au-dessus de cet axe, ce qui signifie que

On effectue ensuite une sommation de Fn +1 (k), pondérée par une fonction croissante de k, en l'occurence par la fonction k2, c'est-à-dire que l'on calcule

On a remarqué que lorsque l'image n + 1 est plus contrastée, c'est-à-dire mieux mise au point que l'image n, Gn + 1 est négatif, alors qu'il est positif lorsque l'image n + 1 est moins bien mise au point que l'image n.

Par conséquent si Gn + 1 est négatif, on continue à faire tourner le moteur 6 dans le même sens alors que l'on inverse son sens de rotation si Gn + 1 est positif.

La figure 5 résume les différentes étapes du procédé.

En 10 on saisit une première image et on sélectionne en 11 le premier pixel de cette image. En général, on opérera uniquement sur une fenêtre déterminée dans l'image complète.

On sélectionne ensuite en 12 les pixels voisins par translation selon les vecteurs dx et dy et on calcule en 13 les gradients de niveaux de gris Ex et Ey.

On mémorise ces gradients et on passe au pixel suivant jusqu'au dernier pixel de l'image ou de la fenêtre.

Lorsque les gradients de niveaux de gris ont été calculés pour tous les pixels, on établit alors en 14 l'histogramme relatif à la première image.

On répète alors les étapes 11 à 14 sur une deuxième image saisie postérieurement à la première et on soustrait en 15 l'histogramme relatif à la deuxième image de l'histogramme relatif à la première.

On calcule ensuite G en 16 et, en 17, on choisit le sens de rotation du moteur 6 en fonction du sens de rotation précédent et du signe de G et on exécute la consigne.

L'opération se poursuit en 18 pour mettre au point la caméra en temps réel.

Dans un autre mode de réalisation, on remplace en 16 la sommation pondérée de Fn + l(k) par une double sommation de cette fonction, c'est-à-dire que l'on calcule

Lorsque ce critère s'applique, Gn + 1 et négatif lorsque l'image n + 1 est moins contrastée que l'image n.

La figure 6 représente une barrette d'éléments photodétecteurs sur laquelle est parfaitement mis au point un sujet constitué d'un plan séparé verticalement en un demi-plan parfaitement blanc et un demi-plan parfaitement noir. La fenêtre analysée pour la mise au point comprend dix éléments photodétecteurs, les cinq éléments de gauche ayant en sortie le plus haut niveau de gris possible et les cinq éléments de droite le plus bas niveau de gris possible.

Les figures 7 représentent les niveaux de sortie de chaque élément photodétecteur codés sur trois bits avec donc huit niveaux de gris.

La figure 7a représente le cas d'une mauvaise mise au point, la figure 7b celui d'une bonne mise au point et la figure 7c celui d'une mise au point parfaite.

Dans la figure 7a la transition entre le niveau de gris 7 et le niveau de gris 0 est tres étalée alors qu'elle est beaucoup plus reserrée dans la figure 7b et qu'elle est parfaitement abrupte dans la figure 7c.

Les éléments photodétecteurs étant ici disposés en barrette, la seule direction possible pour la détermination des gradients est la direction horizontale.

Les figures 8a à 8c sont les histogrammes des gradients des figures 7a à 7c respectivement avec un vecteur dx orienté vers la droite et dont la longueur est égale à la largeur d'un pixel. De même les figures 9a à 9c sont les histogrammes des gradients des figures 7a à 7c avec un vecteur dx également orienté vers la droite mais dont la longueur est égale à deux fois la largeur d'un pixel.

La figure 10a représente l'histogramme de la figure 8a duquel on a déduit l'histogramme de la figure 8b, la figure 10b représente l'histogramme de la figure 8b dont on a déduit l'histogramme de la figure 8c, la figure îîa représente l'histogramme de la figure 9a dont on a déduit l'histogramme de la figure 9b, et la figure llb représente l'histogramme de la figure 9b dont on a déduit l'histogramme de la figure 9c.

Si maintenant, on effectue la sommation sur k des différentes fonctions Fk pondérées par k2, on trouve - pour la figure 10a, G = 1 + 8 - 25 = - 16 et de même - pour la courbe de la figure 10b, G = - 22 - pour la courbe de la figure lla, G = - 42 et - pour la courbe de la figure llb, G = - 24
On constate que toutes ces valeurs de G sont négatives, ce qui traduit le fait que la mise au point est meilleure sur la figure 7b que sur la figure 7a, et meilleure sur la figure 7c que sur la figure 7b.

On peut trouver ici un exemple très simple de fonction de k insuffisamment croissante pour pondérer la fonction
Fk lors de sa sommation : la fonction k elle-même.

On constate en effet aisément que toute les valeurs de G calculées sur les figures 10a, 10b, lîa et llb sont nulles dans ce cas. La fonction k n'est donc pas suffisamment croissante pour permettre d'appliquer le critère selon l'invention.

La figure 12 représente une barrette d'éléments photodétecteurs sur laquelle est parfaitement mis au point un sujet constitué de deux demi-plans parfaitement noirs séparés verticalement par une ligne parfaitement blanche. La fenêtre analysée pour la mise au point comprend huit éléments photodétecteurs, seul le cinquième élément en partant de la gauche ayant en sortie le plus haut niveau de gris possible et les autres le plus bas niveau de gris possible.

Comme dans le cas des figures 7, les figures 13 représentent les niveaux de sortie de chaque élément photodétecteur codé sur trois bits avec donc huit niveaux de gris.

La figure 13a représente le cas d'une mise au point parfaite, la figure 13b celui d'une moins bonne mise au point et la figure 13c celui d'une mauvaise mise au point.

Les figures 14a à 14c sont les histogrammes des gradients des figures 13a à 13c respectivement, avec un vecteur dx orienté vers la droite et dont la longueur est égale à la largeur d'un pixel.

La figure 15a représent l'histogramme de la figure 14a duquel on a déduit l'histogramme de la figure 14b, et la figure 15b représente l'histogramme de la figure 14b dont on a déduit l'histogramme de la figure 14c.

La figure 16a représente la sommation de la courbe de la figure 15a et la figure 17a représente la sommation de la courbe de la figure 16a.

De même, la figure 16b représente la sommation de la courbe de la figure 15b et la figure 17b représente la sommation de la courbe de la figure 16b.

On constate que dans les deux cas la valeur de G telle que définie précédemment est négative, ce qui traduit le fait que la mise au point est meilleure sur la figure 13a que sur la figure 13b et meilleure sur la figure 13b que sur la figure 13c.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la mise au point d'un appareil de prise de vues muni de moyens (4) de numérisation d'image, dans lequel on numérise une succession d'images sous la forme d'un ensemble de pixels (8) caractérisés chacun par un niveau de gris, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à a) définir au moins une direction orientée (dx, dy) dans

le plan de l'image, b) saisir (10) et numériser une première image, c) déterminer (13), pour au moins certains pixels de la

première image, le gradient du niveau de gris dans

ladite direction, d) établir (14) l'histogramme desdits gradients, e) entrainer dans un sens donné des moyens (6) de mise

au point de l'appareil de prise de vues, f) saisir et numériser une deuxième image, g) répéter sur la deuxième image les étapes b) à d), h) analyser (15,16) les histogrammes relatifs aux deux

images dans leur partie correspondant aux forts

gradients de niveau de gris en vue de déterminer quel

histogramme est le plus élevé dans ladite partie, et i) entrainer les moyens de mise au point de l'appareil

de prise de vue dans le même sens qu'au cours de

l'étape e) scil ressort de l'analyse que

l'histogramme relatif à la deuxième image est plus

élevé que celui relatif à la première image dans sa

partie correspondant aux forts gradients de niveau de

gris, et en sens inverse dans le cas contraire.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, en vue d'analyser lesdits histogrammes, on soustrait l'histogramme relatif à la deuxième image de l'histogramme relatif à la première image, et on analyse la partie de la courbe différence correspondant aux forts gradients de niveau de gris.

3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel, en vue d'analyser la partie de la courbe différence correspondant aux forts gradients de niveau de gris, on effectue une sommation de la courbe différence pondérée par une fonction suffisamment croissante du gradient du niveau de gris.

4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on pondère la courbe différence par le carré du gradient du niveau de gris.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel, au cours de l'étape i), on entraine les moyens de mise au point de l'appareil de prise de vues dans le même sens qu'au cours de l'étape e) si la somme est négative, et en sens inverse si la somme est positive.

6. Procédé selon la revendication 2 dans lequel, en vue d'analyser la partie de la courbe différence correspondant aux forts gradients de niveau de gris, on effectue une double sommation de la courbe différence.

7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel, au cours de l'étape i), on entraine les moyens de mise au point de l'appareil de prise de vue dans le même sens qu'au cours de l'étape e) si la double somme est positive, et en sens inverse si la double somme est négative.

8. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, en vue d'analyser les histogrammes dans leur partie correspondant aux forts gradients de niveaux de gris, on détermine l'histogramme dans lequel intervient le plus fort gradient de niveau de gris.

9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel, au cours de l'étape i), on entraine les moyens de mise au point de l'appareil de prise de vues dans le même sens qu'au cours de l'étape e), si l'histogramme relatif à la deuxième image possède un plus fort gradient de niveau de gris supérieur au plus fort gradient de niveau de gris de l'histogramme relatif à la première image, et en sens inverse dans le cas contraire.

10. Appareil de prise de vues, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (5,6,7) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.