FR3018017A1 - Procede et dispositif d'acquisition numerique de signal, notamment d'image, permettant une reduction de bruit electronique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'acquisition numérique de signal comprenant un capteur (10) de signal analogique, un convertisseur analogique numérique (12) délivrant un échantillon numérique du signal analogique et des moyens de filtrage (16) de cet échantillon numérique. Un tel dispositif comprend également : - des moyens (13) d'estimation d'une valeur du signal analogique à partir de l'échantillon numérique ; - des moyens (14) de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage du signal analogique à partir de la valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1 ; - des moyens (15) de suréchantillonnage du signal analogique du facteur N activés si N>1. Les moyens de filtrage sont alors aptes à filtrer N échantillons numériques du signal analogique délivrés par le convertisseur analogique numérique, de façon à réduire le bruit électronique affectant le signal.

Description

Procédé et dispositif d'acquisition numérique de signal, notamment d'image, permettant une réduction de bruit électronique. 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de l'imagerie numérique, et notamment, mais non exclusivement, de l'acquisition numérique d'images au moyen par exemple d'appareils photos ou de caméras, qu'il s'agisse d'appareils scientifiques, professionnels ou grand public. Plus précisément, l'invention concerne la réduction du bruit affectant le signal utile, lors de telles acquisitions numériques. 2. Art antérieur et ses inconvénients Les systèmes d'acquisition numérique d'images comprennent classiquement un capteur photographique, de type CCD (pour l'anglais « Charge-Coupled Device ») ou CMOS (pour l'anglais « Complementary Metal Oxide Semiconductor »), ou encore l'une de ces deux technologies intégrée dans un SOC (pour l'anglais « System On Chip »). Un tel capteur est un composant électronique photosensible, qui permet de convertir un rayonnement électromagnétique (dans le domaine ultra-violet, visible ou infrarouge), en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique (CAN ou en anglais ADC pour « Analog to Digital Converter ») et enfin traité (notamment par filtrage), pour obtenir une image numérique.

La qualité d'un tel système d'acquisition numérique est notamment caractérisée par l'évaluation du rapport signal à bruit, ou SNR (pour l'anglais « Signal-to-Noise Ratio »). Ce ratio représente le rapport du signal lumineux mesuré par le capteur sur un bruit total, comprenant d'une part des variations naturelles du flux de photon incident sur le capteur, ou bruit photonique, et d'autre part des composantes de signal indésirables, prenant naissance dans la chaîne de traitement électronique, ou bruit électronique. Lorsque l'amplitude du bruit augmente, l'incertitude sur le signal mesuré augmente également. Il est donc particulièrement important d'obtenir un rapport signal à bruit élevé dans les systèmes d'acquisition numérique de haute qualité, et tout particulièrement dans les systèmes destinés à des applications scientifiques de précision. Le bruit photonique, qui correspond à des variations statistiques dans le rythme d'incidence des photons sur le capteur, suit une loi statistique de Poisson. Il peut donc être estimé comme égal à la racine carrée de la valeur moyenne du signal lumineux. Le bruit électronique, quant à lui, correspond à la combinaison des composantes de bruit générées par les différents étages du système électronique, lors de la conversion des différentes charges mesurées par le capteur en un signal de tension analogique, puis lors de son traitement ultérieur et notamment de son amplification, et enfin lors de sa conversion en un signal numérique. Un tel bruit électronique, également appelé bruit de lecture, ou bruit d'acquisition, s'ajoute de façon uniforme sur chacun des pixels de l'image et peut être considéré comme indépendant de la valeur du signal lumineux incident. Lorsque l'intensité du signal lumineux mesuré par le capteur est élevée, le bruit photonique, ou bruit de signal, est également important, et le bruit électronique généré par le système d'acquisition contribue peu à l'incertitude sur le signal mesuré. En revanche, lorsque l'intensité du signal lumineux mesuré par le capteur est faible, le bruit photonique peut s'avérer négligeable devant le bruit électronique, qui devient la source principale de bruit affectant le signal.

Afin de réduire l'influence du bruit électronique, les systèmes d'acquisition connus utilisent un ensemble de filtres analogiques et/ou numériques, insérés dans la chaîne de traitement du signal. Les paramètres de ces filtres sont fixes, au moins pendant une salve d'acquisition, c'est-à-dire typiquement au moins pour l'intégralité d'une image dans le cas d'un système d'acquisition de type imageur. Plus précisément, les paramètres de ces filtres sont choisis, pour une ou plusieurs images, en réalisant un compromis entre le niveau de bruit électronique affectant le signal utile et la vitesse d'acquisition de ce dernier. Ainsi, certains systèmes d'acquisition privilégient une vitesse d'acquisition élevée du signal, au détriment d'un niveau de bruit électronique également élevé, qui peut s'avérer pénalisant dans le cas des faibles signaux.

A l'inverse, certains systèmes d'acquisition, et notamment les appareils scientifiques de précision, privilégient le filtrage du signal, et donc le temps de traitement associé, pour réduire au maximum le bruit électronique affectant le signal mesuré. Ce filtrage impacte alors la vitesse d'acquisition du signal et ce, même lorsque l'intensité du signal mesuré est élevée et que le bruit électronique est pourtant négligeable devant le bruit photonique. Une autre technique connue repose sur la mise en oeuvre de traitements logiciels post-acquisition, qui sont appliqués sur une image entière, et visent à réduire l'effet du bruit sur l'image capturée. Cependant, de tels traitements ne sont mis en oeuvre qu'après acquisition de l'image, et ne permettent donc pas d'améliorer le rapport signal à bruit intrinsèque de l'image. Enfin, certains systèmes d'acquisition numérique d'images à base de capteurs CCD, CMOS ou SOC, intègrent des méthodes de lectures permettant de réduire une partie du bruit de lecture. La première d'entre elles est le double échantillonnage corrélé ou CDS (pour l'anglais « Correlated Double Sampling »), qui permet de supprimer le bruit de préchargement de la diode de lecture, ou bruit de reset, et le bruit basse fréquence en 1/f du capteur CCD, qui sont les composantes de bruit prédominantes en faible flux lumineux. Dans de tels systèmes, le signal optique ayant frappé un pixel du capteur CCD est mesuré par calcul d'une différence entre un échantillon représentatif d'un palier de référence, ou palier de reset, correspondant à un niveau de précharge d'une capacité de l'étage de sortie du CCD, et un échantillon représentatif d'un palier final du signal. Le bruit de reset présente une forte corrélation sur le palier de référence et sur le palier final, de sorte qu'une telle soustraction permet d'éliminer ce bruit du signal lumineux.

Si cette technique s'avère intéressante pour éliminer le bruit de reset, elle ne permet pas de s'affranchir de toutes les composantes de bruit électronique affectant le signal utile, en particulier toutes les composantes de bruit électronique qui ont des fréquences supérieures au temps caractéristique du CDS.

Il existe donc un besoin d'une technique d'acquisition de signaux numériques permettant de mieux réduire le bruit électronique affectant les signaux utiles, notamment, mais non exclusivement, dans le cadre d'acquisition d'images. Plus précisément, il existe un besoin d'une telle technique qui permette d'atteindre le compromis optimalentre la vitesse d'acquisition du signal et le bruit électronique d'acquisition associé, en tout point du signal, et donc notamment en tout point de l'image dans le cas d'un signal d'image. Il existe également un besoin d'une telle technique qui permette de garantir que le bruit électronique soit toujours inférieur au bruit associé au signal utile, en tout point du signal, et donc notamment en tout point de l'image dans le cas d'un signal d'image. Il existe également un besoin d'une telle technique qui soit aisément intégrable dans les systèmes d'acquisition numériques existants. Il existe encore un besoin d'une telle technique d'acquisition numérique d'images qui permette de réduire le bruit électronique affectant l'image sans altérer la photométrie de cette dernière. 3. Exposé de l'invention L'invention répond à ces besoins en proposant un dispositif d'acquisition numérique de signal comprenant un capteur de signal analogique, un convertisseur analogique numérique délivrant un échantillon numérique du signal analogique et des moyens de filtrage de l'échantillon numérique. Selon l'invention, un tel dispositif comprend : des moyens d'estimation d'une valeur du signal analogique à partir de l'échantillon numérique ; des moyens de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage du signal analogique à partir de la valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique ; des moyens de suréchantillonnage du signal analogique du facteur N, activés si N>1. En outre, les moyens de filtrage sont aptes à filtrer N échantillons numériques du signal analogique délivrés par ledit convertisseur analogique numérique.

Un tel dispositif est notamment conçu au moyen de composants discrets ou bien en SOC (pour « System on Chip »). Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de la réduction du bruit électronique affectant les signaux obtenus au moyen de dispositifs d'acquisition numériques. En effet, alors que les dispositifs d'acquisition numériques existants utilisent des filtres dont les paramètres sont fixes, au moins durant une salve d'acquisition numérique, et choisis en fonction d'un compromis moyen entre la vitesse d'acquisition du signal et le bruit résultant l'affectant en sortie du dispositif, le dispositif de l'invention repose sur la mise en oeuvre d'un filtrage adaptatif, qui permet d'atteindre, sur toutes les portions du signal, le compromis optimum entre la vitesse d'acquisition et le bruit résultant. En effet, le dispositif d'acquisition numérique de l'invention exploite avantageusement la propriété de certains signaux analogiques, tels que les signaux lumineux, selon laquelle la valeur du bruit associé au signal est directement liée à la valeur du signal lui-même. Le dispositif de l'invention évalue donc, sur la base d'un premier échantillon numérique du signal analogique, la valeur du signal, et donc du bruit qui lui est associé. En fonction d'un seuil de bruit électronique affectant le signal que l'on veut atteindre en sortie des moyens de filtrage du dispositif de l'invention, on détermine le suréchantillonnage à appliquer au signal analogique pour que les moyens de filtrage délivrent un échantillon numérique du signal analogique présentant un bruit électronique inférieur au seuil prédéterminé. L'estimation de la valeur du signal analogique peut être effectuée aussi souvent que souhaité, pour adapter en permanence le suréchantillonnage à effectuer, en fonction de la valeur du signal. Ainsi, lorsque l'intensité du signal est élevée, on peut choisir de ne pas suréchantillonner, ou de suréchantillonner faiblement le signal, ce qui permet de conserver une vitesse d'acquisition du signal importante. Inversement, lorsque l'intensité du signal est plus faible, et que le bruit électronique introduit donc une forte incertitude sur le signal, on peut choisir de suréchantillonner davantage le signal, pour améliorer le rapport signal à bruit du dispositif, au détriment de la vitesse d'acquisition du signal. L'adaptation peut ainsi se faire en continu, au fur et à mesure de l'acquisition du signal par le dispositif de l'invention. Selon une première caractéristique de l'invention, le signal est représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, et les moyens d'estimation et de détermination sont activés pour un échantillon numérique de chaque pixel de l'image. Ainsi, à partir d'un premier échantillon numérique d'un pixel, on détermine le suréchantillonnage à appliquer sur le pixel, pour réduire suffisamment l'influence du bruit électronique sur ce pixel en sortie des moyens de filtrage. On procède ainsi pour chaque pixel de l'image. De cette façon, pour les pixels présentant une forte intensité lumineuse, on n'applique pas ou peu de suréchantillonnage, ce qui permet de maintenir une vitesse d'acquisition élevée du signal. Inversement, pour ceux des pixels qui ont été frappés par un signal de faible intensité lumineuse, on suréchantillonne et filtre davantage, pour réduire l'influence du bruit électronique. Le dispositif d'acquisition numérique de l'invention permet donc une adaptation du traitement au niveau du pixel, ce qui est donc bien plus précis et modulable que les techniques de l'art antérieur, pour lesquelles les paramètres de filtrage étaient généralement fixés pour toute une image. Selon un aspect particulier de l'invention, le seuil prédéterminé de bruit électronique est un seuil d'un rapport, en sortie des moyens de filtrage, du bruit électronique sur un bruit associé audit signal. En effet, ce qui importe pour la qualité du signal obtenu en sortie du dispositif d'acquisition numérique de l'invention n'est pas tant la valeur absolue du bruit électronique affectant le signal, mais sa valeur relative par rapport au bruit associé au signal, à savoir au bruit photonique dans le cas d'un signal lumineux d'image. Dès lors que le bruit électronique est suffisamment faible par rapport au bruit associé au signal, son influence est négligeable. On choisit donc avantageusement de fixer le seuil de bruit électronique sous la forme d'un rapport bruit électronique sur bruit associé au signal. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de filtrage comprennent un filtre moyenneur des N échantillons numériques du signal analogique.

Un tel filtre moyenneur, ou filtre passe-bas, opère donc une moyenne sur les N échantillons du signal délivrés par le convertisseur ADC, et délivre un unique échantillon numérique, dans lequel le bruit électronique résultant, s'il est considéré comme un bruit blanc, sera divisé par "IFT Tout autre type de filtrage peut également être mis en oeuvre dans le dispositif d'acquisition numérique de l'invention, notamment un filtrage adapté à la réduction du bruit basse fréquence en 1/f. Ainsi, un tel filtre moyenneur peut également mettre en oeuvre des techniques de moyenneurs pondérés avec des coefficients de pondération qui sont modulés en fonction du taux de corrélation des échantillons entre eux lors d'un CDS (pour « Correlated Double Sampling ») sur-échantilloné, conformément à la technique décrite par J.L Gach & al dans «A New Digital CCD Readout Technique for Ultra-Low-Noise CCDs », The Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 115, Issue 811, pp. 1068-1071.

En outre, en dehors de moyennes classiques sur les N échantillons du sur- échantillonnage, on peut envisager tous les autres types de traitements linéaires ou non linéaires, dont un exemple simple et robuste est un filtre déterminant la médiane des N échantillons. Un tel filtre a pour particularité d'être moins influencé que le filtre moyenneur par les valeurs extrêmes et donc d'être plus robuste au bruit basses fréquences en 1/f. Plus généralement, les moyens de filtrage de l'invention peuvent consister en tout filtre numérique passe-bas, qu'il soit linéaire ou non. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de suréchantillonnage pilotent une vitesse dudit convertisseur analogique numérique.

Ainsi, pour suréchantillonner le signal d'un facteur N, on augmente la vitesse de conversion du convertisseur ADC, pour que celui-ci délivre davantage d'échantillons du signal analogique (par exemple d'un pixel), avant qu'un nouveau signal analogique (i.e. un nouveau pixel) n'arrive en entrée du convertisseur. On notera que ce mode de réalisation particulier nécessite de faire travailler par défaut le convertisseur à basse vitesse pour pouvoir l'accélérer en cas de besoin de suréchantillonnage. Les performances du convertisseur sont alors bridées, en fonctionnement normal. Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de suréchantillonnage pilotent au moins une horloge rythmant une sortie dudit signal analogique dudit capteur. En d'autres termes, ces moyens de suréchantillonnage pilotent les horloges qui rythment la ou les sorties des pixels et de leur valeur analogique associée. Ainsi, pour suréchantillonner le signal d'un facteur N, on ralentit l'horloge de sortie du capteur, afin que le convertisseur ADC puisse fournir N échantillons du signal (par exemple du pixel), avant qu'un nouveau signal analogique (i.e. un nouveau pixel) n'arrive en entrée du convertisseur. Il est bien sûr également possible, en variante, que les moyens de suréchantillonnage agissent simultanément sur la vitesse de conversion du convertisseur ADC et sur l'horloge de sortie du capteur.

Selon un autre aspect de l'invention, ledit signal analogique prenant, pendant la lecture d'un pixel, une première valeur correspondant à un palier de référence, et au moins une deuxième valeur correspondant à un palier de signal, lesdits moyens d'estimation et de détermination sont activés pour un échantillon numérique de ladite deuxième valeur correspondant à un palier de signal.

En effet, dans le cadre d'un mode de lecture CDS à double échantillonnage corrélé (pour « Correlated Double Sampling »), pendant la lecture d'un pixel, la première valeur disponible est celle du palier dit de référence, et ensuite celle du palier dit de signal. La première valeur, correspondant au palier de référence, ne renseigne donc pas sur la valeur du signal lumineux incident et un échantillonnage précoce à ce moment ne permet pas de déterminer s'il faut ou non (et de combien le cas échéant) suréchantillonner le signal. Il convient donc d'estimer la valeur du signal, et de déterminer le facteur de suréchantillonnage à appliquer, sur la valeur du signal correspondant au palier de signal. Selon encore un autre aspect de l'invention, pour un pixel de rang p+1, lesdits moyens de suréchantillonnage sont aptes à suréchantillonner ledit signal analogique correspondant audit palier de référence d'un facteur N' déterminé en fonction d'une variation dudit signal analogique sur au moins deux pixels précédents de rangs p et inférieur. En effet, le palier de référence est lui aussi affecté du bruit électronique d'acquisition du système lors de sa lecture. Comme indiqué ci-dessus, il faut attendre le palier de signal pour pouvoir évaluer la valeur du signal lumineux incident et son bruit associé. Ces informations, obtenues pour le palier de signal d'un pixel de rang p+1, ne peuvent donc pas être utilisées pour procéder au suréchantillonnage du palier de référence de ce pixel de rang p+1, et le bruit électronique de sa lecture s'ajoute donc quadratiquement lors de la soustraction liée au CDS. Pour pallier cette problématique, la technique de l'invention consiste à effectuer une modulation du suréchantillonnage du palier de signal du pixel de rang p, qui aura vu son niveau varier, et de considérer la variation du signal moyen entre le pixel p-1 et le pixel p et d'appliquer cette tendance au pixel p+1 pour moduler aussi le suréchantillonnage sur le palier de référence du pixel p+1. Il s'agit donc là d'une variation du suréchantillonnage, qui tient compte de la variation de signal sur les pixels précédents pour anticiper le suréchantillonnage nécessaire du palier de référence du pixel de rang p+1, dans le cadre d'une lecture par double échantillonnage corrélé CDS. L'invention concerne également un procédé d'acquisition numérique de signal 20 comprenant : une étape d'acquisition d'un signal analogique ; une étape de conversion analogique numérique délivrant un échantillon numérique du signal analogique ; une étape de filtrage de l'échantillon numérique. 25 Selon l'invention, un tel procédé comprend : une étape d'estimation d'une valeur du signal analogique à partir de l'échantillon numérique ; une étape de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage du signal analogique à partir de la valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit 30 électronique, où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1; si N>1, une étape de suréchantillonnage du signal analogique du facteur N ; En outre, l'étape de filtrage est une étape de filtrage de N échantillons numériques du signal analogique. Selon un aspect de l'invention, le signal est représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, et les étapes d'estimation et de détermination sont mises en oeuvre pour un échantillon numérique de chacun des pixels. En variante, on peut choisir de ne mettre en oeuvre ces étapes que pour certains des pixels de l'image, par exemple pour le premier pixel de chaque ligne de l'image. L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur 10 comprenant des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre des étapes du procédé décrit précédemment lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Par processeur, on entend ici et dans l'ensemble de ce document tout composant et/ou système programmable, et notamment, les composants de type FPGA, DSP, micro-contrôleur, etc. 15 L'invention concerne plus généralement un procédé d'acquisition numérique et un programme d'ordinateur présentant en combinaison tout ou partie des caractéristiques exposées dans l'ensemble de ce document, et notamment les caractéristiques décrites en relation avec le dispositif d'acquisition numérique de l'invention décrit ci-avant. 20 4. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre le schéma de fonctionnement d'un dispositif d'acquisition 25 numérique conforme à un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 présente sous forme d'organigramme schématique les différentes étapes mises en oeuvre par le procédé d'acquisition numérique de signal de l'invention. 5. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Le principe général de l'invention repose sur la mise en oeuvre, dans un système d'acquisition numérique de signal, d'un filtrage adaptatif, dont les paramètres peuvent être modifiés en temps réel, pour s'adapter au niveau du signal utile, afin de respecter un niveau prédéterminé d'un rapport du bruit électronique affectant le signal après filtrage au bruit associé au signal. Dans le cas d'un système d'acquisition numérique d'image comprenant un détecteur CCD, CMOS ou SOC, un tel filtrage adaptatif permet, d'une part de garantir de toujours obtenir l'optimum entre la vitesse de lecture ou d'acquisition du signal et le bruit électronique associé, et d'autre part de faire en sorte que le bruit électronique soit toujours (i.e. quelle que soit la zone de l'image) en deçà du bruit associé au signal utile (i.e. le bruit photonique). Ainsi, le bruit électronique inhérent au système d'acquisition numérique peut être sensiblement réduit, y compris jusqu'à un niveau auquel il devient négligeable par rapport au bruit associé au signal.

Le principe de l'invention s'applique de préférence au domaine de l'acquisition numérique d'images (systèmes d'imagerie, caméra scientifique, caméscopes, appareils photos professionnels ou amateurs, ...), mais plus généralement à tous les systèmes d'acquisition numériques de signaux, dans lesquels les signaux sont affectés, d'une part d'un bruit électronique généré par le système, et d'autre part, d'un bruit associé au signal dont la valeur est liée à la valeur du signal lui-même. On présente désormais, en relation avec les figures, un exemple de réalisation de l'invention dans le cadre d'un système d'acquisition numérique d'image. On rappelle tout d'abord brièvement le principe de fonctionnement d'un système d'acquisition numérique d'image mettant en oeuvre un détecteur CCD. On notera bien sûr que l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de capteurs CCD, mais s'applique également, comme déjà indiqué, dans le cas de l'utilisation de capteurs CMOS ou SOC, et plus généralement, à tout type de système d'acquisition numérique de signal. Un détecteur CCD se présente sous la forme d'un substrat de silicium, sur lequel est inscrite une matrice géométrique régulière de plusieurs milliers ou millions de zones sensibles à la lumière, appelées photosites, qui capturent et stockent des informations d'image, sous la forme de charges électriques localisées, dont la valeur varie en fonction de l'intensité lumineuse incidente. Plus précisément, les photosites formés sur le substrat de silicium convertissent l'énergie des photons incidents en charges électriques (électrons ou trous selon le dopage du semiconducteur), ce qui entraîne la formation correspondante de paires « électrons-trous » dans le réseau cristallin de silicium. Au rendement quantique prêt ,une paire électron-trou est générée pour chaque photon absorbé, et la charge résultante accumulée dans chaque pixel est donc proportionnelle au nombre de photons incidents. Des tensions externes, appliquées sur les électrodes associées à chaque pixel, forment des puits de potentiel dans lesquels sont stockées les charges issues des photons incidents pendant un temps correspondant au temps d'exposition. L'acquisition d'image s'articule donc autour de quatre étapes principales : il y a tout d'abord génération de charges électriques (électrons et trous), par interaction des photons incidents avec les zones photosensibles du détecteur ; les charges générées par la libération des électrons sont ensuite collectées et stockées dans les puits de potentiels associés à chaque pixel ; par application, sur le réseau d'électrodes du détecteur CCD, de tensions appropriées (variation cyclique des tensions appliquées qui forment les puits de potentiel), associées à un système d'horloges, ces charges sont ensuite transférées, par combinaison adaptée de décalages en parallèle et en série. Plus précisément, les charges accumulées dans les pixels sont décalées parallèlement ligne par ligne vers un registre de transfert série qui permet de faire sortir en série chaque pixel de la ligne présente dans ce registre. L'opération est ré-itérée autant de fois que nécessaire pour faire sortir tous les pixels ; en sortie du registre de transfert série, les charges associées à chaque pixel sont ensuite transférées une à une vers une chaîne de traitement analogique, où elles sont tout d'abord converties en tension (proportionnelle au nombre de charges dans la capacité d'une diode « flottante ») puis amplifiées. La tension obtenue en sortie de l'étage d'amplification alimente ensuite un convertisseur analogique numérique (ADC), qui la convertit en échantillon numérique. Chaque pixel se voit donc assigner une valeur numérique, correspondant à l'amplitude du signal lumineux incident, qui est mémorisée. Après filtrage, et lorsque tous les pixels ont été traités, l'image peut être affichée sur un écran du système d'acquisition. On présente désormais, en relation avec la figure 1, un mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition numérique selon l'invention. Un tel dispositif comprend, de façon classique, un capteur de type CCD ou CMOS référencé 10, une chaîne de traitement analogique référencée 11, réalisant notamment l'amplification des signaux, un convertisseur analogique numérique ADC référencé 12, et un filtre référencé 16, délivrant pour chaque pixel de l'image un échantillon numérique filtré associé. Dans le cas d'un capteur dit SOC, tout ou partie de la chaîne analogique et du convertisseur peut être intégrée au sein du même composant que le détecteur. Il s'agit là juste d'un niveau d'intégration supplémentaire.

Les échantillons numériques, obtenus en sortie du convertisseur ADC 12, sont affectés d'un facteur de bruit électronique, généré le long de la chaîne de traitement analogique référencée 11 et par le convertisseur ADC 12 lui-même. On rappelle en outre qu'un signal lumineux de valeur moyenne S est également affecté d'un bruit associé, également appelé bruit photonique : avec Bs_ , où r-as est l'acronyme de « root mean square » et PP est l'acronyme de « peak to peak ». Il en résulte que, si l'on note Bacs-rms le bruit électronique généré par le système d'acquisition, la valeur du bruit total affectant les échantillons numériques de signaux lumineux s'exprime sous la forme : B j_ z Dans l'exemple de la figure 1, un premier échantillon numérique associé à un pixel du capteur 10 est délivré en sortie du convertisseur ADC 12. Cet échantillon numérique alimente un module référencé 13, qui estime, à partir de cet échantillon, la valeur moyenne du signal lumineux entrant, correspondant à la valeur moyenne S du signal lumineux, affecté de son bruit de signal associé et du bruit électronique, sommés quadratiquement. A partir de cette valeur moyenne estimée, et d'une valeur seuil Vth de bruit électronique visée pour les échantillons numériques en sortie du filtre 16, le module référencé 13 détermine les paramètres PARAM référencés 14 à appliquer pour le filtre référencé 16. Ces paramètres PARAM 14 sont transmis au filtre 16. Ils conditionnent également un facteur de suréchantillonnage N à appliquer au signal. En effet, à partir de la valeur moyenne estimée, il est possible de déterminer, en fonction de la valeur seuil Vth choisie, le suréchantillonnage approprié pour diminuer suffisamment, par filtrage 16, le bruit électronique, et ainsi passer sous les conditions de seuil. Un module de suréchantillonnage xN référencé 15 pilote, d'une part, les horloges de la chaîne de traitement analogique 11 et du capteur 10, et d'autre part, la vitesse du convertisseur ADC 12, pour obtenir le suréchantillonnage souhaité de la tension analogique associé au pixel considéré.

Ainsi, le module de suréchantillonnage référencé 15 peut agir en augmentant la vitesse du convertisseur ADC 12 (dans la mesure où la vitesse par défaut du convertisseur est suffisamment lente pour pouvoir l'augmenter à la demande le cas échéant), pour obtenir davantage d'échantillons numériques du pixel en sortie du convertisseur, avant que la tension analogique associée au pixel suivant ne soit fournie en sortie de la chaîne analogique 11. Le facteur de suréchantillonnage que l'on peut obtenir de cette façon est bien sûr limité par la vitesse maximale du convertisseur ADC 12. En outre, l'augmentation de la vitesse du convertisseur ADC 12 peut également entraîner une augmentation du bruit électronique généré par ce composant. A titre alternatif, ou en complément, le module de suréchantillonnage 15 peut 30 également agir sur les horloges du capteur 10 et de la chaîne de traitement analogique 11, de façon à retarder suffisamment la mise à disposition de la tension analogique associée au pixel suivant, pour laisser le temps au convertisseur ADC 12 de délivrer N échantillons numériques du pixel courant. Dans ce cas de figure, le convertisseur peut être maintenu à vitesse d'échantillonnage constante, la variation du nombre d'échantillons N ne se faisant que sur la modulation des horloges qui pilotent le détecteur 10. Les N échantillons numériques délivrés en sortie du convertisseur ADC 12 pour le pixel courant sont alors filtrés par le filtre référencé 16, qui, dans l'exemple de la figure 1, est un filtre moyenneur.

En considérant le bruit électronique comme blanc, un tel filtrage adaptatif moyenneur permet de réduire efficacement le bruit électronique affectant le signal. En effet, si l'on considère un pixel qui est suréchantillonné quatre fois (i.e. le convertisseur ADC 12 délivre quatre échantillons numériques pour ce pixel au lieu d'un unique échantillon), et dont les quatre échantillons numériques sont moyennés par le filtre moyenneur 16, alors le bruit électronique (i.e. l'incertitude) affectant l'échantillon numérique délivré en sortie du filtre 16, correspondant au résultat de la moyenne des quatre échantillons, sera %Si =2 fois moindre que le bruit électronique (i.e. l'incertitude) affectant l'un des échantillons numériques obtenus en sortie du convertisseur ADC 12, i.e. avant la moyenne opérée par le filtre 16.

De même, pour un pixel suréchantillonné d'un facteur seize, le bruit électronique résultant en sortie du filtre moyenneur 16 sera divisé par 16 = 4. Plus généralement, le bruit électronique blanc affectant un échantillon numérique représentatif d'un pixel sera divisé par -1.'11,7'r, si l'on délivre N échantillons numériques pour ce pixel, et que le filtre 16 moyenne ensuite ces N échantillons.

Si l'on fixe le seuil Vth pour que le bruit électronique d'acquisition résultant après filtrage soit de deux fois inférieur au bruit associé au signal soit Bs-rins, 2 , alors la part du bruit électronique filtré dans le bruit total du système est d'environ 12 %. En effet : '1. Bacqf *Bs_ 2* Bs_'' Si, en revanche, l'on fixe le seuil Vth pour que le bruit électronique d'acquisition après filtrage soit quatre fois inférieur au bruit associé au signal, alors la part du bruit électronique filtré est inférieure à 3% du bruit total. r:s = 1jB + 1,03 Bs-rms.

En effet : 17 76, On notera que, dans un mode de réalisation de l'invention, le module référencé 13 estime la valeur du signal entrant à partir du premier échantillon délivré par le convertisseur ADC 12 pour chaque pixel du capteur 10.

La valeur de cet échantillon est proportionnelle au nombre de charges issues du signal lumineux collectées dans le pixel pendant la pose, augmentée de l'incertitude liée au bruit photonique et à celle liée au bruit électronique de la chaîne d'acquisition. Dans le cas de bruits blancs, ce dernier bruit (électronique) est à valeur moyenne nulle. En première approximation, on réduit l'estimation de la valeur moyenne du signal lumineux à la valeur de ce seul échantillon (affecté de ses incertitudes) qui permettra de déterminer le suréchantillonnage nécessaire pour atteindre le seuil Vth fixé. Par ailleurs il est nécessaire de connaître le bruit électronique d'acquisition dans le mode de lecture (CDS ou autres) non suréchantillonné du détecteur. Ce bruit électronique du système (B ) est une mesure classique effectuée pour chaque système d'imagerie lors de ti sa conception. On note B acq -mis' (équivalent à B ) la moyenne, issue du filtre moyenneur avec N échantillons, du bruit électronique de la chaîne d'acquisition. Si l'on veut un seuil de bruit d'acquisition à 3 % (comme dans l'exemple précédent) du N bruit total, on doit donc avoir 4 . Or, on sait que pour un filtre moyenneur pur et en présence de bruit blanc : = 1 de déduire N N. N 6* - 16* - 16C . Évidemment il convient de fixer une limite au rapport NIT pour les valeurs basses -11:7 ce qui permet 2 de S : par exemple (toujours dans le cas du seuil à 3%) lorsque le signal est suffisamment faible pour que -c soit 2 fois supérieur à 771,S alors N=64. Enfin N ne peut être inférieur à 1 et peut prendre toutes les valeurs entières entre 1 et le nombre max Nmax Bffeq-rnte défini par la limite max de -IrS .

Dans le cadre d'une méthode CDS, et comme mentionné précédemment dans ce document, la valeur de N peut tenir compte de l'évolution sur les pixels précédents (pour un détecteur avec un transfert série des pixels) de la ligne, sachant que les deux premiers pixels de la ligne ne pourront en prendre pleinement parti. De cette façon, on peut suréchantillonner aussi le palier de référence et diminuer utilement (selon le seuil défini) sa contribution au bruit électronique par sa lecture. Les bruits de lecture résultant du CDS n'étant pas corrélés (ceux qui le sont seront éliminés lors de la soustraction), ils s'ajoutent quadratiquement ; étant égaux en amplitude, on a donc un rapport dans les calculs de l'exemple précédent. La valeur de N étant déterminée, on procède à un suréchantillonnage et à un filtrage correspondant, pixel par pixel, de sorte que le traitement de l'invention est un traitement que l'on pourrait qualifier d'intra-pixel (au contraire par exemple de la méthode connue sous le nom de « pixel binning », qui consiste à combiner plusieurs pixels entre eux pour en faire un super pixel, qui présente la charge de signal cumulée des pixels associés et un bruit de lecture correspondant seulement à un pixel. Selon cette technique de « pixel binning », on augmente donc d'autant le rapport SNR, au détriment de la résolution et de la dynamique). Le filtrage adaptatif de l'invention permet avantageusement d'augmenter le SNR sans réduire la dynamique et sans réduire la résolution de l'image. A titre de variante, on peut également envisager, non pas de travailler au niveau du pixel, mais d'un groupe de pixels, et de calculer un facteur de suréchantillonnage à appliquer pour l'ensemble des pixels de ce groupe. On notera également qu'à vitesse du convertisseur ADC 12 constante, la modification du facteur de suréchantillonnage de la tension analogique associée à un pixel influence directement la vitesse globale d'acquisition de l'image. En modifiant en 30 temps réel le paramètre du nombre d'échantillons à traiter par pixel en fonction de la valeur seuil du rapport bruit électronique résultant sur bruit associé au signal, on garantit, à chaque instant, l'optimum entre la vitesse de lecture (i.e. d'acquisition du signal) et le niveau de bruit électronique de lecture désiré. La figure 2 illustre sous forme de schéma synoptique les différentes étapes du procédé d'acquisition numérique de signal mis en oeuvre dans le dispositif décrit ci- avant en relation avec la figure 1. Au cours d'une première étape ACQ référencée 20, on acquière un signal analogique, représentatif par exemple d'une image. Une telle étape d'acquisition peut être mise en oeuvre au moyen d'un capteur CCD ou CMOS.

Au cours d'une étape ADC référencée 21, le signal analogique acquis fait l'objet d'une conversion analogique numérique. A partir de l'échantillon numérique obtenu à l'issue de l'étape ADC 21, on estime la valeur du signal analogique entrant, au cours d'une étape ESTIM. S référencée 22. Connaissant cette valeur estimée S, et une valeur seuil de bruit électronique Vth à ne pas dépasser, on détermine au cours d'une étape référencée 23 un facteur de suréchantillonnage N du signal analogique obtenu à l'issue de l'étape d'acquisition 20. L'étape de conversion ADC 21 est alors réitérée N fois, de façon à obtenir N échantillons numériques du signal, qui font ensuite l'objet d'une étape de filtrage FILTRE 24.

A l'issue de cette étape de filtrage 24, on obtient un échantillon numérique filtré du signal analogique d'entrée, dans lequel l'influence du bruit électronique a été réduite. L'invention décrite dans le présent document permet, en plus d'assurer à tout moment l'optimum entre rapport signal sur bruit et vitesse d'acquisition, une économie sensible en moyens (le plus souvent en composants) de filtrage et en traitements appliqués sur le parcours du signal lors de son acquisition. En effet, grâce à l'invention, la réduction du bruit peut n'être prise en compte que quand cela est nécessaire.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'acquisition numérique de signal comprenant un capteur (10) de signal analogique, un convertisseur analogique numérique (12) délivrant un échantillon numérique dudit signal analogique et des moyens de filtrage (16) dudit échantillon numérique, caractérisé en ce qu'il comprend : des moyens (13) d'estimation d'une valeur dudit signal analogique à partir dudit échantillon numérique ; des moyens (14) de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage dudit signal analogique à partir de ladite valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1; des moyens (15) de suréchantillonnage dudit signal analogique dudit facteur N activés si N>1 ; et en ce que lesdits moyens de filtrage (16) sont aptes à filtrer N échantillons numériques dudit signal analogique délivrés par ledit convertisseur analogique numérique (12).
2. 2. Dispositif d'acquisition numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit signal est représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, et en ce que lesdits moyens d'estimation et de détermination sont activés pour un échantillon numérique de chaque pixel de ladite image.
3. 3. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit seuil prédéterminé de bruit électronique est un seuil d'un rapport, en sortie desdits moyens de filtrage, dudit bruit électronique sur un bruit associé audit signal.
4. 4. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage comprennent un filtre moyenneur desdits N échantillons numériques dudit signal analogique.
5. 5. Dispositif d'acquisition numérique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit filtre moyenneur est pondéré avec des coefficients de pondération modulés en fonction d'un taux de corrélation desdits échantillons entre eux.
6. 6. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage déterminent une médiane desdits N échantillons.
7. 7. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de suréchantillonnage (15) pilotent une vitesse dudit convertisseur analogique numérique (12).
8. 8. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de suréchantillonnage pilotent au moins une horloge rythmant une sortie dudit signal analogique dudit capteur.
9. 9. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que, pendant la lecture d'un pixel, ledit signal analogique prenant une première valeur correspondant à un palier de référence, et au moins une deuxième valeur correspondant à un palier de signal, lesdits moyens d'estimation et de détermination sont activés pour un échantillon numérique de ladite deuxième valeur correspondant à un palier de signal.
10. 10. Dispositif d'acquisition numérique selon la revendication 9, caractérisé en ce que, pour un pixel de rang p+1, lesdits moyens de suréchantillonnage sont aptes à suréchantillonner ledit signal analogique correspondant audit palier de référence d'un facteur N' déterminé en fonction d'une variation dudit signal analogique sur au moins deux pixels précédents de rangs p et inférieur.
11. 11. Procédé d'acquisition numérique de signal comprenant : une étape (20) d'acquisition d'un signal analogique ; une étape (21) de conversion analogique numérique délivrant un échantillon numérique dudit signal analogique ;- une étape (24) de filtrage dudit échantillon numérique, caractérisé en ce qu'il comprend : une étape (22) d'estimation d'une valeur dudit signal analogique à partir dudit échantillon numérique ; une étape (23) de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage dudit signal analogique à partir de ladite valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique, où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1; si N>1, une étape de suréchantillonnage dudit signal analogique dudit facteur N ; et en ce que ladite étape de filtrage est une étape de filtrage de N échantillons numériques dudit signal analogique.
12. 12. Procédé d'acquisition selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit signal est représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, et en ce que lesdites étapes d'estimation et de détermination sont mises en oeuvre pour un échantillon numérique de chacun desdits pixels.
13. 13. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour la mise en oeuvre des étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications 11 et 12 lorsque ledit programme est exécuté par un processeur.