FR2717268A1 - Procédé et dispositif de normalisation permettant d'éliminer des détection erronées dans des images de sonar à couverture latérale. - Google Patents
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Abstract
Il s'agit d'éliminer les détections erronées au niveau de la frontière de colonne d'eau dans une image de sonar à couverture latérale. Chaque image est filtrée par calcul de la valeur médiane du niveau de gris d'un pixel et de ses quatre voisins, ce qui donne une image médiane. L'image médiane est filtrée par un premier filtre linéaire pour donner une image de bord, elle-même filtrée par un second filtre linéaire pour donner une image à bord lissé. Le bord de l'image est détecté par recherche du niveau de gris maximal dans chaque rangée de l'image à bord lissé. Une région de transition est définie entre le bord détecté et une limite à droite présélectionnée, et les niveaux de gris moyens sont calculés sur les rangées et les colonnes de cette région de transition. L'image de sonar est ensuite normalisée par calcul du niveau moyen de gris de l'image pour chaque pixel de l'image.
Description
Procédé et dispositif de normalisation permettant d'éliminer des
détections erronées dans des images de sonar à couverture latérale La présente invention concerne un dispositif qui permet de
détecter des objets fabriqués par l'homme et des particularités naturel-
les dans une image de sonar, et a plus particulièrement trait à un procédé permettant d'éliminer des détections erronées de cibles au niveau de la frontière de colonne d'eau dans des images de sonar à
couverture latérale.
On utilise les sonars à couverture latérale pour créer par réflexion sonore une image du fond de l'océan en utilisant de courtes salves d'énergie haute fréquence. Un réseau de réception linéaire forme un étroit faisceau en éventail, orienté verticalement, destiné à recevoir l'énergie réfléchie. Le décalage entre les salves ou impulsions d'énergie et l'énergie réfléchie balaie une seule ligne de l'image à la fois en portée. Le déplacement vers l'avant de la plate-forme soutenant le sonar est parallèle aux lignes de trame de l'image dans la direction
de poursuite.
Dans la région de colonne d'eau de l'image, là o il est trop tôt pour avoir des échos provenant du fond, des objets en suspension apparaissent comme des zones claires. Dans la région de portée proche et pour des angles d'incidence rasante relativement importants, des objets placés sur le fond apparaissent comme des zones claires ou comme des zones claires suivies par de courtes ombres. Dans la région de portée lointaine, des objets apparaissent habituellement comme des zones claires suivies de longues ombres o le faisceau provenant du
fond de l'océan a été arrêté par l'objet.
Comme l'atténuation du signal est aussi élevée que 70 dB entre la portée proche et la portée lointaine, les sonars modernes utilisent un gain à variation temporelle (TVG) pour compenser. En plus de cette compensation en boucle ouverte, une seconde forme de commande du gain utilisant la rétroaction est appliquée par division de l'image en segments de portée et par réglage du gain dans chaque segment de portée pour conduire à un niveau moyen d'intensité. Cette forme de réglage du gain conduit souvent à des anomalies indésirables telles que des ombres dans la direction de poursuite après l'obtention
de l'image d'un objet brillant.
Des opérateurs de sonar expérimentés qui utilisent des images de sonar à couverture latérale pour rechercher des mines
peuvent compenser la plupart de ces anomalies et distinguer facile-
ment la région de l'image qui correspond à la colonne d'eau de la région de l'image qui correspond au fond de l'océan. Toutefois, quand on utilise des techniques de détection automatique, il est nécessaire de procéder à un traitement préalable de l'image pour supprimer certaines anomalies de l'image avant de procéder à la détection. En outre, certaines structures de l'image qui dégradent les algorithmes de
détection automatique doivent être éliminées.
A cause du bruit important et de la faible résolution des images de sonar, les tentatives pour automatiser les opérations de détection des mines n'ont rencontré qu'un succès modéré. En plus
d'une situation déjà difficile, des anomalies introduites par les premiè-
res étapes du traitement compliquent encore davantage le problème.
Les techniques de détection automatique utilisent certaines formes de différenciation spatiale de l'image pour détecter les zones claires et les zones d'ombre qui sont susceptibles de correspondre à des mines aussi
bien qu'à d'autres objets tels que des roches. Ces techniques de détec-
tion donnent souvent de fausses alarmes au niveau de la frontière entre la colonne d'eau et le premier écho provenant du fond de l'océan. Des alarmes erronées se produisent également chaque fois que des artefacts tels que des bandes sont introduits dans l'image du fait de techniques de normalisation peu sophistiquées. Il existe par conséquent un besoin pour un procédé automatique qui élimine les fausses détections au
niveau de la frontière de colonne d'eau.
La présente invention résout ces problèmes de l'art antérieur en éliminant la transition abrupte entre la colonne d'eau et la région du fond de l'océan. Elle le fait tout en conservant les zones claires dans la colonne d'eau qui pourraient correspondre à des cibles. Elle élimine également les bandes brillantes qui se produisent au niveau de cette frontière dans l'image quand des techniques simples de lissage sont utilisées pour normaliser l'intensité de l'image. La présente invention réalise cela en rendant le niveau de gris moyen de la colonne d'eau
égal à celui de l'image toute entière.
Il est proposé un dispositif pour éliminer les détections erronées au niveau de la frontière de colonne d'eau dans des images de sonar à couverture latérale. Ces images de sonar consistent en une
matrice de pixels dont chacun a un niveau de gris connu.
Chaque image de sonar est filtrée par calcul de la valeur médiane du niveau de gris d'un pixel et de ses quatre pixels adjacents pour produire une image médiane. Cette image médiane est filtrée à
l'aide d'un premier filtre linéaire pour produire une image de bord.
L'image de bord est ensuite filtrée à l'aide d'un second filtre linéaire
pour donner une image à bord lissé.
On détecte le bord en recherchant pour chaque rangée de
l'image à bord lissé le niveau de gris maximal. On définit alors une ré-
gion de transition entre le bord détecté et une limite à droite présélec-
tionnée et on calcule les niveaux de gris moyens sur les colonnes et les rangées dans la région de transition. Enfin, on normalise l'image en calculant le niveau de gris moyen de l'image pour chaque pixel de l'image. Il est préférable de procéder à au moins trois itérations du filtrage médian avant de filtrer l'image médiane à l'aide du premier
filtre linéaire.
Il est préférable d'effectuer la normalisation de l'image sur trois régions séparées de cette image. On normalise la région de
colonne d'eau de l'image pour qu'elle ait une valeur moyenne constan-
te. On normalise les segments de l'image compris entre la colonne d'eau et la limite à droite à l'aide d'une valeur moyenne glissante qui interpole les valeurs moyennes des segments. Enfin, on normalise la région à la droite de la limite à droite par la valeur moyenne calculée à partir d'une moyenne mobile. On utilise de préférence un nombre
impair de colonnes pour cette normalisation.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la
description détaillée suivante, prise en liaison avec les dessins
annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel qui montre le dispositif préféré de la présente invention pour éliminer des détections erronées au niveau de la frontière de colonne d'eau, la figure 2 est un schéma synoptique qui montre le filtre médian utilisé dans le dispositif représenté à la figure 1, la figure 3 est une représentation schématique montrant les définitions des lignes centrales et des frontières de segments utilisées pour produire la région de transition frontière/milieu de portée utilisée dans le dispositif représenté à la figure 1, la figure 4 est une représentation d'une image de sonar non normalisée qui montre la colonne d'eau et la frontière, la figure 5 est une représentation de l'image de la figure 4 qui a été normalisée, la valeur moyenne de la colonne d'eau ayant été
rendue égale à la valeur moyenne de l'image.
La présente invention est un dispositif qui élimine les détections erronées à la frontière entre les échos sonores provenant de
la colonne d'eau et les échos sonores provenant du fond de l'océan.
Elle corrige également des anomalies introduites par la commande automatique du gain de certains sonars à couverture latérale au niveau
de cette frontière. Dans la description suivante de la présente
invention, on suppose que l'image rectangulaire a été normalisée sous la forme d'une image tribord. Certaines techniques connues dans le domaine peuvent être utilisées pour convertir une image bâbord en une
image tribord.
Comme on le voit sur la figure 1, le présent dispositif comprend cinq modules de base. Les cinq modules de base de l'invention sont: 1. Le module de filtrage médian, 2. le module de filtrage du bord vertical, 3. Le module de détection du bord et de lissage de la frontière, 4. Le module de génération de bandes dans la région de transition, et
5. Le module de normalisation de l'image.
Un filtre médian, comme représenté à la figure 2, calcule la valeur médiane du niveau de gris d'un pixel et de ses quatre plus proches voisins. Le filtre médian réalise une nouvelle image en
utilisant cette valeur médiane pour le niveau de gris du pixel central.
On répète cette opération trois fois de manière séquentielle de sorte que la dernière image produite est le résultat de trois opérations de
filtrage. Le filtrage médian supprime le bruit parasite et les transitoi-
res dans l'image tout en préservant les bords.
On effectue une convolution d'un filtre linéaire, représenté par la matrice hl suivante, avec l'image précédente pour produire une
image de bord.
h1 = [ -1-1-1-1 0 1 1 11] On effectue une convolution d'un second filtre linéaire, représenté par
la matrice h2 suivante, avec l'image de bord pour lisser le bord.
i h2 = On produit la frontière de l'image en recherchant dans chaque rangée de l'image le niveau de gris maximal dans les colonnes O à Nw
de l'image à bord lissé, sachant que Nw dépend de l'altitude attendue.
Ceci produit le bord J (i) dans lequel i représente le numéro de la ran-
gée et J (i) représente la position de colonne de la frontière. Le filtre h2 avec 2n + 1 éléments (dans cet exemple n = 3) conduit à une image avec des limites de rangée indéfinies de n pixels de large. J (n + 1) s'étend donc sur les n premières rangées et J (NR - n) s'étend sur les n dernières rangées pour définir la frontière sur les NR rangées de l'image. Comme représenté à la figure 3, des bandes adjacentes sont définies dans une région de transition entre la frontière J (i) et une limite à droite JR, verticale, décalée d'une certaine distance vers la
droite de J (i). Les paramètres suivants définissent la région de transi-
tion pour une image tribord: J (i) Frontière à gauche entre la colonne d'eau et le premier écho provenant du fond JR Limite à droite de la région de transition B (i, k) kième frontière entre le segment k-1 et le segment k C(i, k) Ligne centrale du segment k mk Valeur moyenne du niveau de gris du segment k NS Nombre de segments entre J (i) et JR, et
NA Largeur minimale des segments.
Chaque segment est défini par des frontières B (i, k- 1) et B (i, k). Le nombre de segments est fonction de la variation de J (i) dans la
portée.
Pour déterminer les frontières des segments, supposons que maximum MAXJ = [J(i)]; i minimum MINJ = [J(i)]; i
DELJ = MAXJ-MINJ;
D = maximum [NA,DELJ];
sachant que DELJ est la largeur d'une bande verticale qui contient jus-
te la fonction J(i). D est choisi pour avoir une largeur au moins égale à
la valeur la plus importante entre NA pixels et DELJ.
Alors, le nombre de segments est:
D+ NA-1
NS = partie entière de NA et JR = MAXJ +NANS de sorte que chaque segment a une largeur d'au moins NA pixels mais non supérieure à 2 NA pixels en tout point de la portée. Une fois que J(i), JR et Ns sont définis, les frontières du segment sont k (JR - J(i)) B(i, k) = J(i) + partie entière de +0,5, k = Oà Ns
NS
avec B(i, 0) = J(i) et B(i, Ns) = JR
Les lignes centrales des segments sont données par la moyen-
ne des frontières des segments: C(i, k) = partie entière de [ 1/2 (B(i, k) + B(i, k+l)) + 0,5]
pour des segments k = 0 à Ns - 1.
On calcule les valeurs moyennes des segments, mrnk, en faisant
la moyenne des niveaux de gris sur les rangées 1 à NR et sur les colon-
nes j qui satisfont à la relation: B(i, k) < j < B (i, k+1)
pour des segments k = 0 à k = NS - 1.
Une fois que ces paramètres ont été calculés, l'image est normalisée. La valeur moyenne de l'image mI est calculée sur tous les pixels de l'image. On procède à cette normalisation de l'image sur trois régions différentes de l'image et en utilisant six règles différentes. La région de la colonne d'eau est normalisée pour avoir une valeur moyenne constante. Les segments compris entre la colonne d'eau et la limite à droite JR sont normalisés par une valeur moyenne glissante qui intepole les valeurs moyennes des segments. L'image à la droite de
JR est normalisée par la valeur moyenne calculée à partir d'une moyen-
ne mobile, en utilisant 2a + 1 colonnes de l'image.
Supposons que I0 (i, j) soit l'image d'origine à niveau de gris non filtré pour 1 < i < NR, 1 < j NC et que IN (i,j) soit l'image normalisée souhaitée. Les six procédures de normalisation seront: A) colonne d'eau 1 < j < J (i) IN (i, j) = maximum [ mI, I0 (i, j)] B) première moitié du premier segment: k = 0 et B (i, 0) < j < C(i, 0) IN (i,j) = (mI / nm0) Io (i, j) C) segments du milieu: k = 0 à Ns - 1 et C (i, k) < j < C (i, k+l) On détermine les paramètres d'interpolation pour i et k fixés AJ = C(i,k+l)- C (i, k) DJ = j-C(i,k) m (i, j) = mk + (DJ /AJ) (mk+l - mk) IN (i,j) = (mI /m (i,j)) Io (i, j) D) dernière moitié du dernier segment: k = Ns - 1 et C (i, Ns- l) < j < JR+a Fonction de moyenne mobile: supposons que mM (j) soit la moyenne de l'image pour 1 < iM < NR et pour j-a < jM < j+a. En d'autres termes, mM (j) est la moyenne sur une bande centrée au repère
j, de 2a + 1 colonnes de large, et s'étendant sur toutes les rangées.
Pour une valeur de i fixée, les paramètres de l'interpolation
sont déterminés.
Ai = JR + a - C(i,NS-1) DJ = j - C (i, Ns-l) m (i, j) = mNS-1 + (DJ / AJ) (mM (JR +a) - mNS_2) IN (i,j) = (mI /m (i, j)) I (i, j) E) partie de moyenne mobile: JR +a < j < NC - a IN (i,j) = (mI / mM ()) Io (i, j) F) bande droite de l'image: NC - a < j < NC IN(i, j) = (ml / mM (NC - a)) I (i, j) Ces règles produisent une image normalisée dans laquelle la discontinuité de la frontière de colonne d'eau a été supprimée tandis que les zones claires dans la colonne d'eau sont conservées. L'image
générale est normalisée pour avoir une valeur moyenne locale constan-
te par rapport à la portée. La figure 4 montre une image de sonar non normalisée, avec une colonne d'eau très visible. La figure 5 montre la même image à laquelle on a appliqué le procédé décrit ci-dessus pour rendre le niveau de gris moyen de la colonne d'eau égal à celui de
toute l'image.
Le présent dispositif offre plusieurs avantages par rapport à la technique antérieure. Les détections erronées à la frontière sont notablement éliminées puisque la région de la colonne d'eau et la région du fond de l'océan sont réglées pour avoir la même valeur moyenne. De plus, la probabilité de détection d'une cible correcte est accrue puisque des bandes brillantes anormales introduites par le gain automatique du matériel de sonar sont renormalisées à la valeur moyenne de l'image. Ceci diminue les variations artificielles du contraste dans l'image et élimine des erreurs de polarisation dans le calcul des seuils de repérage des cibles. En outre, la probabilité de détection des cibles dans la colonne d'eau reste élevée puisque les
zones claires dans la colonne d'eau ne sont pas perturbées par l'opéra-
tion de normalisation.
Il est bien entendu que la description qui précède n'a été
donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des varian-
tes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la
présente invention.
Claims (16)
1. Procédé pour éliminer des détections erronnées au niveau de la frontière de colonne d'eau dans des images de sonar à couverture latérale consistant en une matrice de pixels dont chaque pixel a un niveau de gris connu, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) filtrer chaque image en calculant la valeur médiane du
niveau de gris d'un pixel et de ses quatre pixels adjacents pour produi-
re une image médiane, b) filtrer ladite image médiane avec un premier filtre linéaire pour produire une image de bord, c) filtrer ladite image de bord avec un second filtre linéaire pour produire une image à bord lissé, d) détecter le bord en recherchant le niveau de gris maximal dans chaque rangée de l'image à bord lissé, e) définir une région de transition entre ledit bord détecté et une limite à droite présélectionnée, et calculer les niveaux de gris moyens sur les rangées et les colonnes de ladite région de transition, et f) normaliser l'image en calculant le niveau de gris moyen de
l'image pour chaque pixel de l'image.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que sont effectuées au moins trois itérations dudit filtrage médian avant que
ladite image médiane ne soit filtrée par ledit premier filtre linéaire.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des segments sont définis dans la région de transition entre ladite image détectée et ladite limite à droite et le niveau de gris moyen des
segments est calculé.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite normalisation de l'image est effectuée sur trois régions séparées
de ladite image.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la région de colonne d'eau de ladite image est normalisée pour avoir une
valeur moyenne constante.
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits segments entre ladite colonne d'eau et ladite limite à droite sont normalisés par une valeur moyenne glissante qui interpole les
valeurs moyennes des segments.
7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la région à la droite de ladite limite à droite est normalisée par une
valeur moyenne calculée à partir d'une moyenne mobile.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite moyenne mobile est calculée à l'aide d'un nombre impair de
colonnes.
9. Dispositif pour éliminer des détections erronées au niveau de la frontière de colonne d'eau dans des images de sonar à couverture latérale consistant en une matrice de pixels dont chaque pixel a un niveau de gris connu, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un filtre médian qui calcule la valeur médiane du niveau de gris d'un pixel et de ses quatre pixels adjacents et produit une image médiane, b) un premier filtre linéaire qui reçoit ladite image médiane et produit une image de bord, c) un second filtre linéaire qui reçoit ladite image de bord et produit une image à bord lissé, d) un moyen de détection du bord qui recherche le niveau de gris maximal dans chaque rangée de ladite image à bord lissé, e) un moyen qui définit une région de transition entre ledit bord détecté et une limite à droite présélectionnée et calcule les niveaux de gris moyens sur les rangées et les colonnes de ladite région de transition, et f) un moyen qui normalise l'image en calculant le niveau de
gris moyen de l'image pour chaque pixel de l'image.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que sont effectuées au moins trois itérations dudit filtrage médian avant
que ladite image médiane ne soit filtrée par ledit premier filtre linéaire.
11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il
comprend un moyen qui définit des segments dans la région de transi-
tion entre ladite image détectée et ladite limite à droite et calcule le
niveau de gris moyen des segments.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite normalisation de l'image est effectuée sur trois régions séparées
de ladite image.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite région de colonne d'eau de ladite image est normalisée pour
avoir une valeur moyenne constante.
14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits segments entre ladite colonne d'eau et ladite limite à droite sont normalisés par une valeur moyenne glissante qui interpole les
valeurs moyennes des segments.
15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la région à la droite de ladite limite à droite est normalisée par une
valeur moyenne calculée à partir d'une moyenne mobile.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite moyenne mobile est calculée à l'aide d'un nombre impair de colonnes.
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