FR3011645A1

FR3011645A1 - Dispositif optique pour la capture d'images selon un champ de vision horizontal de 360°

Info

Publication number: FR3011645A1
Application number: FR1359718A
Authority: FR
Inventors: Richard Ollier
Original assignee: GIROPTIC
Current assignee: GIROPTIC
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-04-10
Anticipated expiration: 2033-10-07
Also published as: WO2015052410A1; US20160252805A1; FR3011645B1; EP3055735A1

Abstract

La présente invention concerne un dispositif optique (1) pour la captures d'images, selon un champ de 360°, par recollement numérique de trois images, comprenant trois groupes optiques (2,3,4) d'axe longitudinal pour les acquisitions respectives desdites trois images, chaque groupe optique comprenant une lentille de tête (21,31,41), suivie sur le même axe longitudinal dudit groupe optique, de plusieurs lentilles afin de projeter les rayons transmis vers un capteur d'images (22,32,42), lesdits trois groupes optiques (2,3,4) étant agencés autour d'un axe de rotation fictif (5) et dans lequel dans la direction dudit axe de rotation fictif les groupes optiques se positionnent selon une configuration géométrique en triangle, lesdits groupes optiques (2,3,4) étant agencés sans enchevêtrement entre eux, et l'angle d'inclinaison entre l'axe longitudinal de chaque groupe optique (2 ;3 ;4) et le plan orthogonal audit axe de rotation fictif (5) étant supérieur ou égale à 0° et inférieur strictement à 15°.

Description

Domaine technique et Art antérieur L'invention est relative à un dispositif optique pour la capture d'images selon un champ de 360°, par recollement numérique de trois images. La présente invention trouve ainsi de nombreuses applications avantageuses, notamment dans le domaine du sport en permettant l'acquisition de vidéo 360° notamment pour des sports de descente ou de glisse tels que par exemple le ski, le surf, ou encore le vélo. D'autres applications avantageuses peuvent également être envisagées dans le cadre de la présente invention, par exemple l'acquisition de vidéo aérienne à 360° par des drones. Dans le domaine de la capture d'images, il est connu d'acquérir un champ de vision horizontal de 360° par juxtaposition puis recollement numérique d'images obtenues à l'aide de plusieurs optiques. On connaît ainsi du demandeur, en particulier du document W02012/032236A1, un dispositif optique pour la capture d'images 360°, par recollement numérique de trois images. Un tel dispositif comprend trois groupes optiques d'axe longitudinal pour les acquisitions respectives desdites trois images ; selon un tel dispositif, chaque groupe optique présente une lentille de tête suivie, sur le même axe longitudinal du groupe optique, de plusieurs lentilles afin de projeter les rayons transmis vers un capteur d'images. Dans cette antériorité, les groupes optiques se positionnent selon une configuration géométrique en triangle autour d'un axe de rotation fictif (voir figure 1 annexée à la présente 20 description). Par axe de rotation fictif, on entend le fait que la position de l'un des groupes optiques peut être obtenue à partir de l'un des deux autres groupes optiques du dispositif après une transformation de rotation dans l'espace ayant pour axe cet axe de rotation fictif. Typiquement, les positions relatives des trois groupes optiques sont obtenues par des 25 rotations successives de 120°, le triangle formé par les trois groupes optiques étant un triangle équilatéral. Selon le dispositif optique décrit dans ce document, les trois groupes optiques sont nécessairement enchevêtrés entre eux autour de cet axe de rotation fictif A cet effet, l'axe longitudinal de chaque groupe optique est incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe de 30 rotation fictif de sorte à permettre l'enchevêtrement des groupes optiques (voir figures 2 et 3 annexées à la présente description). Un tel enchevêtrement permet donc de rapprocher les groupes optiques, et ainsi de réduire la distance entre les points nodaux de chaque groupe optique entre eux, ce qui permet une bonne juxtaposition des trois images après recollement.

Dans le domaine de la photographie panoramique, on peut rappeler ici que le point nodal (ou en anglais « non parallax point ») est considéré comme le point de convergence des rayons lumineux incidents qui traversent la lentille de tête, s'ils n'avaient pas été déviés par celle-ci ; il s'agit en l'occurrence ici du centre de la pupille d'entrée.

La bonne juxtaposition des images acquises après recollement nécessite donc une réduction de cette distance entre les points nodaux, ce qui implique nécessairement un enchevêtrement qui est rendu possible par une inclinaison des groupes optiques ; en effet, les groupes optiques utilisés jusqu'à présent sont trop encombrants. Selon l'exemple de la figure 2 du document WO 2012/032236A1 et comme illustrée sur la figure 1 annexée à la présente description, l'écart de distance entre deux quelconques des points nodaux est de 22 mm, un tel écart n'a pas pu être réduit jusqu'à présent. Par ailleurs, l'angle d'inclinaison entre l'axe longitudinale de chaque groupe optique et le plan orthogonal audit axe de rotation fictif, permettant l'enchevêtrement des groupes optiques, est typiquement compris entre 150 et 30°, l'encombrement des groupes optiques grand angle utilisés jusqu'à présent n'a pas permis de réduire cette inclinaison. Un tel dispositif, portatif, est commercialisé par le présent demandeur sous l'appellation « GIROCAM » (http://www.girocam.com/) et permet une acquisition d'images 360° et un recollement numérique de très bonne qualité. Cependant, l'inventeur a constaté qu'avec un tel dispositif, du fait de l'inclinaison des groupes pour permettre l'enchevêtrement, il n'est pas possible d'acquérir un champ de vision vertical sur toute la hauteur, à savoir une élévation du champ optique qui s'étend de +90° à - 900. En effet, dans le meilleur des cas, pour un angle d'inclinaison entre l'axe du groupe optique et le plan orthogonal audit axe de rotation fictif de 15°, après recollement des trois images, l'élévation ne s'étend qu'entre -50° et +90°, soit un champ de vision vertical de 140° (voir figure 5 annexée à la présente description), ce qui représente une perte d'information conséquente. Ceci n'est pas pleinement satisfaisant, l'acquisition d'un champ de vision vertical atteignant les 180° étant préférable pour saisir la totalité de la scène, et éviter ainsi une perte d'information dans la scène saisie. Pour élargir le champ de vision vertical acquis, il faudrait pouvoir réduire l'angle d'inclinaison. Cependant, du fait de l'enchevêtrement nécessaire des groupes optiques entre eux (pour la juxtaposition des images après recollement), il n'est pas possible de réduire davantage cet angle d'inclinaison.

En effet, comme on peut le constater sur la figure 3 annexée à la présente description, réduire cet angle est impossible compte tenu du blocage mécanique entre les extrémités adjacentes de deux groupes optiques successifs ; en effet, comme on peut le constater sur cette figure 3, la lentille de tête d'un premier groupe d'optique est bloquée par le capteur d'image d'un deuxième groupe, ce qui empêche l'inclinaison du groupe optique. En tout état de cause, le demandeur observe que la configuration actuelle du dispositif optique décrit ci-dessus ne permet pas l'obtention d'un champ de vision vertical satisfaisant. Résumé et objet de la présente invention La présente invention vise à améliorer la situation décrite ci-dessus.

Ainsi, un des objectifs de la présente invention est de pallier les inconvénients précités en proposant un dispositif pour la capture d'images selon un champ de vision horizontal de 360° et dont le champ de vision vertical est amélioré par rapport à l'état de la technique. Un des autres objectifs de la présente invention est également de réduire l'encombrement actuel du dispositif optique décrit dans le document WO 2012/032236A1 D'autre objectifs et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui ne présente en aucun cas un caractère limitatif. A cet effet, la présente invention concerne un dispositif optique pour la capture d'images, selon un champ de 360° (c'est-à-dire un champ dont la section horizontale couvre les 360°), par recollement numérique de trois images. Selon la présente invention, le dispositif optique comporte trois groupes optiques d'axe longitudinal pour les acquisitions respectives des trois images. De préférence, chaque groupe optique comprend une lentille de tête, suivie sur le même axe longitudinal du groupe optique de plusieurs lentilles afin de projeter les rayons transmis vers un capteur d'images ; lesdits trois groupes optiques sont agencés autour d'un axe de rotation fictif et, dans la direction dudit axe de rotation fictif, les groupes optiques se positionnent selon une configuration géométrique en triangle. Selon l'invention, les groupes optiques sont agencés sans enchevêtrement entre eux et l'angle d'inclinaison entre l'axe longitudinal de chaque groupe optique et le plan orthogonal audit axe de rotation fictif est supérieur ou égal à 0° et inférieur strictement à 15°. Cette configuration avantageuse sans enchevêtrement avec des groupes optiques de tailles réduites et présentant un angle d'inclinaison réduit permet d'élargir de façon significative le champ de vision vertical, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent dans l'état de la technique.

Selon des caractéristiques optionnelles de l'invention, prises seules ou en combinaison : - l'angle d'inclinaison entre l'axe longitudinal de chaque groupe optique et le plan orthogonal audit axe de rotation fictif est compris entre 6° et 12°; - chaque capteur d'images présente une surface active inférieure ou comprise dans une surface de 4 mm par 3 mm ; - pour chaque groupe optique, la distance entre la face frontale de la lentille de tête et le capteur d'images associé audit groupe optique est inférieur ou égale à 25 mm ; - l'écart de distance entre les points nodaux de deux quelconques desdits groupes optiques est inférieur ou égal à 20 mm, de préférence inférieur ou égal à 15 mm ; - les positions relatives des trois groupes optiques sont obtenues par des rotations successives de 120°, suivant l'axe de rotation fictif ; - le dispositif selon la présente invention est portatif, et présente une face sur laquelle peut reposer le dispositif sur une surface horizontale en positionnant ledit axe de rotation fictif à la verticale. Selon un premier mode de réalisation, les pixels des capteurs d'images sont des surfaces rectangulaires de 5 [tm à 7 [tm de côté, par exemple des surfaces carrées de 6 [tm de côté, et la distance focale de chaque groupe optique est inférieur à 2.5 mm et l'écart de distance entre les points nodaux de deux quelconques desdits groupes optique est inférieur ou égal à 15 mm. Alternativement, selon un deuxième mode de réalisation, les pixels des capteurs d'images sont des surfaces rectangulaires de 2 [tm à 4 [tm de côté, par exemple des surfaces carrées de 3 [tm de côté, et la distance focale de chaque groupe optique est inférieure à 3 mm et l'écart de distance entre les points nodaux de deux quelconques desdits groupes optique est inférieur ou égal à 10 mm. Alternativement, selon un troisième mode de réalisation, les pixels des capteurs d'images sont des surfaces rectangulaires, notamment carrées, de côté strictement inférieur à 2 [tm, et l'écart de distance entre les points nodaux de deux quelconque desdits groupes optique est inférieur ou égal à 10 mm.

Ainsi, grâce aux différentes caractéristiques structurelles décrites ci-dessus, la présente invention permet l'acquisition d'images selon un champ de vision horizontal de 360°, et selon un champ de vision vertical supérieur à 140°.

Brève description des figures annexées D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-dessous en référence aux figures 4 à 9 annexées qui en illustrent plusieurs variantes de réalisation dépourvues de tout caractère limitatif et sur lesquelles : La figure 4 représente de façon schématique une vue de dessus d'un assemblage d'optique d'un dispositif optique conforme à un mode de réalisation avantageux de l'invention. Les figures 5 et 6 représentent chacune de façon respective une vue schématique détaillée d'un des trois groupes optiques de la figure 4.

La figure 9 est un schéma illustrant le champ de vision vertical d'une image 360° après recollement numérique de trois images obtenues au moyen d'un dispositif selon la figure 1, conforme à l'état de la technique, pour une inclinaison entre l'axe longitudinal de chacun des groupes optique et le plan perpendiculaire audit axe de rotation fictif de 150 .

La figure 7 est un schéma illustrant le champ de vision vertical d'une image 360° après recollement numérique de trois images obtenues au moyen d'un dispositif selon la figure 3, conforme à l'invention pour une inclinaison entre l'axe longitudinal de chacun des groupes optique et le plan perpendiculaire audit axe de rotation fictif de 0°.

La figure 8 est un schéma illustrant le champ de vision vertical d'une image 360° après recollement numérique de trois images obtenues au moyen d'un dispositif selon la figure 3, conforme à l'invention pour une inclinaison entre l'axe longitudinal de chacun des groupes optique et le plan perpendiculaire audit axe de rotation fictif de 9°.

Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Un dispositif optique selon la présente invention va maintenant être décrit dans ce qui suit en faisant référence conjointement aux figures 4 à 9. Concevoir un dispositif optique permettant l'acquisition d'images selon un champ de vision horizontal de 360° et selon un champ vertical supérieur à 140° (c'est-à-dire compris entre 140° et 180°) est un des objectifs de la présente invention. En effet, comme expliqué ci-dessus dans la description, le document W02012/032236A1 divulgue un dispositif optique qui permet une acquisition d'images 360° et un recollement numérique de très bonne qualité, mais dont le champ de vision vertical n'est pas satisfaisant : celui-ci est en effet inférieur à 140°.

La présente invention vise à remédier à ce problème, et concerne ainsi un dispositif optique 1 pour la capture d'images. De façon connue, dans l'exemple décrit ici, et comme illustré en figure 4, le dispositif optique 1 selon la présente invention comprend trois groupes optiques 2, 3 et 4 permettant d'acquérir chacun respectivement une image à un instant donné. Dans l'exemple décrit ici, et comme illustré en figure 4, chaque groupe optique 2, 3 et 4 comprend une lentille de tête 21, 31, 41; chaque lentille de tête 21, 31, 41 est suivie sur le même axe longitudinal A2, A3 et A4 du groupe optique 2, 3 et 4 d'une pluralité de lentilles. Comme illustré en figure 4, cet agencement pour chaque groupe optique 2, 3 et 4 d'une lentille de tête 21, 31, 41, dite grand angle, suivie d'une pluralité de lentilles permet de projeter les rayons transmis vers un capteur d'images portant respectivement la référence 22, 32 et 42. Plus particulièrement, dans l'exemple décrit ici, chaque groupe optique 2, 3 et 4 est composé d'un assemblage de lentilles à surfaces planes, sphériques ou asphériques dont les choix de matière, épaisseurs, courbures et position sont déterminés par l'optimisation d'un design optique composé de 2 sous groupes de lentilles: - le groupe avant (ou frontal), de nature divergente permettant de collecter les rayons lumineux sur un grand angle de champ, - le groupe arrière, de nature convergente focalisant les rayons lumineux sur le capteur d'image et formant l'image sur celui-ci. Les propriétés du design optique de groupe optique 2, 3 et 4 est du type « Fish-eye » et se distinguent par : - un très grand angle de champ objet, - une focale approchant le millimètre, - un groupe frontal à puissance négative (divergeant), et groupe arrière à puissance positive (convergeant), - un chemin optique court, (ici, de l'ordre de 13mm) avec un tirage arrière court (de l'ordre de 3.5 mm), - un diamètre optique frontal petit (de l'ordre de 20mm), - le diamètre optique arrière du même ordre (de l'ordre de lOmm) Ainsi, dans l'exemple décrit ici, les performances optiques en terme de qualité de front d'onde sont à 0.6 lambda toutes positions dans le champ utile du capteur d'image ce en conférant une FTM optique assurant plus de 50% de contraste à fréquence spatiale de Nyquist/2 pour les technologies de capteur d'image couleur à mosaïque de filtres de Bayer et à pixel de taille 1.4um ou proche donnant une fréquence spatiale de Nyquist/2 à 125 paires de lignes/mm. Dans l'exemple décrit ici, et comme illustré en figure 4, les trois groupes optiques 2, 3 et 4 sont agencés autour d'un axe de rotation fictif 5, et présentent une configuration géométrique en triangle (équilatéral) autour de cet axe 5. L'utilisation d'un tel agencement de groupes optiques 2, 3 et 4 en triangle avec des lentilles de tête 21, 31 et 41 grand angle permet d'acquérir une scène selon un champ de vision horizontal à 360°. De préférence, la surface active de chaque capteur d'images 22, 32 et 42 est inférieure 10 ou comprise dans une surface de 4 mm par 3 mm, ce qui permet d'avoir une bonne définition dans les images acquises. Selon une première caractéristique de la présente invention, les groupes optiques 2, 3 et 4 sont agencés sans enchevêtrement entre eux ; en d'autres termes, les groupes optiques 2, 3 et 4 ne se chevauchent pas les uns sur les autres, comme on peut le voir dans l'état de la 15 technique illustrée en figure 2 de la présente description. Par ailleurs, selon une deuxième caractéristique de la présente invention, l'angle d'inclinaison a entre l'axe longitudinal A2, A3 et A4 respectivement des groupes optiques 2, 3 et 4 et le plan P, qui est le plan orthogonal à l'axe de rotation 5, est supérieur ou égale à 0° et inférieur strictement à 15°.

20 Dans l'exemple décrit, cet angle d'inclinaison a est compris entre 6° et 12°, de préférence entre 8° et 10°. Le choix d'une valeur d'angle d'inclinaison a dans cet intervalle permet d'obtenir un recouvrement suffisant avec des optiques de 175° (plus simples à fabriquer que des optiques de 180°).

25 L'agencement décrit ci-dessus est caractéristique de la présente invention. Ainsi, dans l'exemple décrit ici, et comme illustré en figure 4, grâce à cet agencement, il est possible d'obtenir un dispositif optique 1 qui présente un écart de distance entre les points nodaux de deux quelconques des groupes optiques sensiblement égal à 10 mm (contre 22 mm dans l'état de la technique).

30 Un tel écart est particulièrement avantageux, car il permet de miniaturiser le dispositif optique 1 pour limiter son encombrement et l'intégrer par exemple dans un drone. Maximiser le champ de vision vertical est un des objectifs de la présente invention. Ainsi, dans l'exemple décrit ici et illustré en figure 7, lorsque l'angle d'inclinaison a est égal à 0°, le champ de vision vertical est sensiblement égal à 180°, ce qui permet d'avoir une acquisition complète de la scène à la fois selon le champ de vision vertical et le champ de vision horizontal. Alternativement, comme illustré en figure 8, lorsque l'angle d'inclinaison a est égal à 9°, le champ de vision vertical est sensiblement égal à 160°, ce qui reste tout à fait satisfaisant, en comparaison aux 140° de champ de vision vertical obtenus avec le dispositif optique selon l'état de la technique (illustré en figure 9). Dans l'exemple décrit ici, et comme illustré en figure 6, pour chaque groupe optique 2, 3 et 4, la distance d entre la face frontale de la lentille de tête 21, 31 et 41 et le capteur d'images associé 22, 32 et 42 est inférieure ou égale à 25 mm ; une telle distance frontale permet d'éviter l'enchevêtrement des groupes optiques tout en permettant une bonne juxtaposition des images après recollement. Il existe donc une relation directe entre cette distance frontale d et l'écart entre les points nodaux, une telle relation permettant d'éviter l'enchevêtrement tout en garantissant une bonne juxtaposition des images après recollement, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent dans l'état de la technique. Il existe par ailleurs une relation mathématique entre la focale de l'objectif de chaque groupe optique et la distance entre le point nodal et l'axe de symétrie pour déterminer l'erreur de parallaxe en nombre de pixels ; une telle relation s'écrit selon la formule suivante : -h-sin(o) a-d erreur de parallaxe en nombre de pixe f foca.e. de l'objectif h cktance point nodal - axe clo syrnétqe a tae pixel y angle de parallaxe en radian Ainsi, la présente invention, grâce aux différentes caractéristiques structurelles décrites ci-dessus, permet de remédier aux différents inconvénients ci-dessus de l'état de la technique, ce qui permet d'améliorer les performances optiques du dispositif tout en réduisant son encombrement. De tels perfectionnements ouvrent de façon conséquente le champ des applications possibles pour la présente invention, notamment avec l'intégration du dispositif dans des drones. Bien évidemment, d'autres applications avantageuses pourront être retenues. Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu'en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l'objet de l'invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d'ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif optique (1) pour la capture d'images, selon un champ de 360°, par recollement numérique de trois images, comprenant trois groupes optiques (2,3,4) d'axe longitudinal (A2,A3,A4) pour les acquisitions respectives desdites trois images, chaque groupe optique (2,3,4) comprenant une lentille de tête (21,31,41), suivie sur le même axe longitudinal (A2,A3,A4) dudit groupe optique (2,3,4), de plusieurs lentilles afin de projeter les rayons transmis vers un capteur d'images (22,32,42), lesdits trois groupes optiques (2,3,4) étant agencés autour d'un axe de rotation fictif (5) et dans lequel dans la direction dudit axe de rotation fictif (5) les groupes optiques (2,3,4) se positionnent selon une configuration géométrique en triangle, caractérisé en ce que lesdits groupes optiques (2,3,4) sont agencés sans enchevêtrement entre eux, et en ce que l'angle d'inclinaison (a) entre l'axe longitudinal (A2,A3,A4) de chaque groupe optique (2,3,4) et le plan orthogonal (P) audit axe de rotation fictif (5) est supérieur ou égale à 0° et inférieur strictement à 15°.
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel ledit angle d'inclinaison (a) entre l'axe longitudinal (A2,A3,A4) de chaque groupe optique (2,3,4) et le plan orthogonal (P) audit axe de rotation fictif (5) est compris entre 6° et 12°.
3 Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque capteur d'images (22;32;42) présente une surface active inférieure ou comprise dans une surface de 4 mm par 3 mm.
4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, pour chaque groupe optique (2,3,4), la distance (d) entre la face frontale de la lentille de tête (21,31,41) et le capteur d'images associé (22,32,42) audit groupe optique (2,3,4) est inférieure ou égale à 25 mm.
5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'écart de distance (Ô) entre les points nodaux de deux quelconques desdits groupes optiques (2,3,4) est inférieur ou égal à 20 mm, de préférence inférieur ou égal à 15mm.6. Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel les pixels des capteurs d'images (22,32,42) sont des surfaces rectangulaires de 5 !am à 7 !am de côté, par exemple des surfaces carrées de 6 !am de côté, et dans lequel la distance focale de chaque groupe optique (2,3,4) est inférieure à 2.5 mm, et l'écart de distance (ô) entre les points nodaux de deux quelconques desdits groupes optiques (2,3,4) est inférieur ou égal à 15 mm. 7. Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel les pixels des capteurs d'images sont des surfaces rectangulaires de 2 !am à 4 !am de côté, par exemple des surfaces carrées de 3 !am de côté, et dans lequel la distance focale de chaque groupe optique (2,3,4) est inférieure à 3 mm, et l'écart de distance (ô) entre les points nodaux de deux quelconques desdits groupes optiques (2,3,4) est inférieur ou égal à 10 mm. 8. Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel les pixels des capteurs d'images (22,32,42) sont des surfaces rectangulaires, notamment carrées, de côté strictement inférieur à 2 !am, et dans lequel l'écart de distance (ô) entre les points nodaux de deux quelconque desdits groupes optique (2,3,4) est inférieur ou égal à 10 mm. 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les positions relatives des trois groupes optiques (2,3,4) sont obtenues par des rotations successives de 120°, suivant l'axe de rotation fictif 10. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, portatif et présentant une face sur laquelle peut reposer ledit dispositif (1) sur une surface horizontale en positionnant ledit axe de rotation fictif à la verticale. 11. Drone comportant un dispositif optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12. Utilisation d'un dispositif optique (1) selon l'une des revendications 1 à 10 pour l'obtention d'au moins une image 360° par recollement numérique de trois images acquises respectivement par les trois groupes optiques (2,3,4) dudit dispositif optique (1).