WO2006077344A2 - Procede de realisation d'un appareil de capture et/ou de restitution d'images et appareil obtenu par ce procede - Google Patents

Procede de realisation d'un appareil de capture et/ou de restitution d'images et appareil obtenu par ce procede Download PDF

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WO2006077344A2
WO2006077344A2 PCT/FR2006/050022 FR2006050022W WO2006077344A2 WO 2006077344 A2 WO2006077344 A2 WO 2006077344A2 FR 2006050022 W FR2006050022 W FR 2006050022W WO 2006077344 A2 WO2006077344 A2 WO 2006077344A2
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image
sensor
image processing
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Frédéric Guichard
Bruno Liege
Jérôme MENIERE
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Dxo Labs
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    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
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    • H04N23/67—Focus control based on electronic image sensor signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/61—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise the noise originating only from the lens unit, e.g. flare, shading, vignetting or "cos4"
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an image capture and / or reproduction device which comprises an optical system for capturing and / or restoring images, a sensor and / or an image generator, and / or a servo system, the image being processed for improvement by digital image processing means.
  • the invention aims in particular to optimize the opening of the optical system of an image capture and / or reproduction device.
  • the invention also relates to an apparatus obtained by such an embodiment method.
  • Known techniques for designing or producing such apparatus for capturing and / or restoring images consist in first selecting the properties physical elements of the apparatus, in particular the optical viewing or projection system, the image sensor or generator and the servo system. Then, if necessary, digital image processing means are provided to correct the defects of at least one of the hardware elements of the apparatus.
  • a specification is first established, that is to say that the space requirement, the focal length ranges, the opening ranges, the Covered field, the performances expressed, either in size of image spot, or in value of FTM (modulation transfer function), and the cost.
  • optical system is selected and, with the aid of an optical calculation software tool, such as the "Zemax" tool, the parameters of this system are selected which make it possible to comply with better the specifications of the specifications.
  • an optical calculation software tool such as the "Zemax” tool
  • This development of the optical system is carried out interactively.
  • an optical system is designed to have the best quality in the center of the image and usually the quality at the edges of the image is of a lower level.
  • the usual techniques are such that the optical system is designed to achieve a certain level of distortion, vignetting, and blur, so that the optical system can be compared to other optical systems.
  • the characteristics of the sensor are also specified, namely: pixel quality, pixel area, number of pixels, microlens matrix, anti-alias filters, pixel geometry , and the arrangement of the pixels.
  • the usual technique is to select the sensor of an image capture apparatus independently of the other elements of the apparatus and, in particular, the image processing system.
  • Capture apparatus and / or image generators also typically include one or more servo systems such as an exposure system and / or a point system ("autofocus").
  • servo systems such as an exposure system and / or a point system ("autofocus").
  • the measurement modes are determined, in particular the areas of the image on which the exposure will be measured are determined. as well as the weight assigned to each zone.
  • the number and position of the areas of the image that will be used to focus are determined.
  • a motor displacement instruction is also specified. In all cases, these specifications are performed independently of the presence or absence of digital image processing means.
  • the invention is based on the observation that these conventional techniques for designing or producing apparatus do not make it possible to take full advantage of the possibilities offered by digital image processing means.
  • the invention generally relates to a method for producing an image capture and / or reproduction device which comprises an optical system for capturing and / or restoring images, and a sensor and / or or image generator, and / or a servo system, the image being processed, for improvement, by digital image processing means; method in which the parameters of the optical system and / or the sensor and / or the image generator, and / or the servo system are determined or selected from the capabilities of the digital image processing means, so that to minimize the costs of implementation and / or to optimize the performance of the camera for capturing and / or restoring images.
  • optimizing the opening of an optical system of a camera for taking pictures or restoring images is meant, compared to a conventional device, increase the opening without increasing the price, or maintain a correct opening while reducing the price of the device or, in general, be able to choose at will the parameters opening, price and performance.
  • the invention relates to a method for producing the image capture and / or reproduction device which comprises an optical system for capturing and / or restoring images, a sensor and or image generator, the image being processed, for the purpose of improvement, by digital image processing means, the method being such that the digital image processing means comprise correction means suitable for correcting the image; at least one of the features included in the group including the blur, the variable blur as a function of the position in the field of the image, the depth of field, the variable depth of field as a function of the position in the field. image, and the vignetting, and the method being such as optimizes the opening of the optical system, in particular with fixed focal length, to take account of the correction means.
  • the method is such that the digital image processing means further comprise, in a manner known per se, distortion correction means.
  • the method according to the invention can use distortion correction means, it concerns the production of an apparatus in which at least one parameter of the optical system is determined or selected. or the sensor and / or the image generator and / or the servo system from the capabilities of the digital image processing means other than the distortion correction.
  • the optical system is of variable focal length
  • the method is further such that: the digital image processing means comprise means for correcting lateral chromatic aberrations and / or blur, and / or vignetting, and / or noise and / or parallax compensation, and determining or selecting at least one parameter of this optical system taking into account the digital means image processing unit in the group comprising the following parameters: the number of optical elements of the system, the nature of the materials composing the optical elements of the optical system, the cost of the materials of the optical system, the treatment of the optical surfaces, the color of optical system materials, assembly tolerances, parallax value as a function of focal length, and focus characteristics.
  • the invention relates to such a method of producing an image capture and / or rendering apparatus which comprises an optical system. capturing and / or reproducing images, a sensor and / or image generator, and / or a servo system, the image being processed with a view to its improvement by digital image processing means, the method being such that at least one parameter of the sensor and / or the image generator and / or the servo system is determined or selected from the capabilities of the digital image processing means.
  • An image capture device is, for example, a disposable camera, a digital camera, a DSLR camera (digital or not), a scanner, a fax machine, an endoscope, a camera, a camcorder, a video camera, surveillance, a toy, a camera or a camera integrated or connected to a telephone, a personal assistant or a computer, a thermal camera, an ultrasound machine, an MRI (magnetic resonance) imaging apparatus, a X-ray radiography.
  • An image rendering apparatus is, for example, a screen, a projector, a television set, virtual reality glasses, or a printer.
  • An image capture and rendering apparatus is, for example, a scanner / fax / printer, a mini lab for printing photos, a video conferencing apparatus.
  • optical image capture system is meant the optical means for rendering images on a sensor.
  • optical image restoration system is meant the optical means for forming images on a screen or to restore to the observer an image already existing on a screen. It is also possible to do without screen to render an image.
  • screen is meant any physical medium on which an image can be formed.
  • image sensor mechanical, chemical, or electronic means for capturing and / or recording an image.
  • image generator is meant, for example, the circuits of a television receiver, a liquid crystal screen, the printing means of a printer, the control systems of a micro mirror projection means.
  • servo system is meant mechanical, chemical, electronic, or computer type means allowing elements or parameters of the device to meet a set point. This includes the autofocus system
  • digital image processing means for example, a software and / or component and / or equipment and / or a system for modifying the quality of the image.
  • the digital image processing means can take various forms depending on the application.
  • the digital image processing means may be integrated wholly or partly into the apparatus, as in the following examples:
  • An image capture apparatus which produces modified images, for example a digital camera which incorporates image processing means.
  • An image rendering apparatus which displays or prints modified images, for example a video projector or a printer including image processing means.
  • a mixed device that corrects the defects of its elements, for example a scanner / printer / fax including image processing means.
  • a professional image capture apparatus which produces modified images, for example an endoscope including image processing means.
  • the digital image processing means are integrated into the apparatus, in practice the apparatus corrects its own defects.
  • the digital image processing means may be integrated wholly or partly into a computer for example as follows:
  • an operating system for example a Windows or Mac OS brand
  • an image processing application for example Photoshop TM, for automatically modifying the quality of images from, or intended for, several image - and / or time - variant cameras, for example scanners, cameras photos, printers. Automatic correction can occur for example when the user activates a filter command in Photoshop TM.
  • a photo printing apparatus for example "Photofinishing” or “Minilab” in English
  • Autocorrect can take into account cameras, the built - in scanner and printer, and be done when the print jobs are started.
  • a server for example on the Internet, to automatically change the quality of images from multiple cameras that vary in image and / or time, such as disposable cameras or digital cameras; the automatic correction can take into account the cameras as well as, for example, a printer and take place at the moment the images are saved on the server, or at the moment when print jobs are started.
  • the processing means are integrated in a computer
  • the processing means images are compatible with multiple devices, and at least one device in a chain of devices may vary from one image to another.
  • the performance level of the optical system and / or the image sensor and / or generator, and / or the servo system is adjusted in terms of the performance of the digital image processing .
  • the desired levels of performance are fixed in advance according to the capabilities of the digital image processing means and the choice is made.
  • the optical system, the sensor or generator and / or the servo system having lower performances but making it possible to achieve the performances determined from the digital image processing means.
  • the performance of a device includes, but is not limited to, its cost, its size, the minimum amount of light that it can receive or transmit, the quality of the image, and the technical characteristics of the optics, the sensor, and the enslavement.
  • the performances of the digital image processing means are the limits of the capacities of these means.
  • the digital image processing means comprise means for improving the image quality by acting on at least one of the parameters of the group comprising: the geometric distortions of the optical system, the chromatic aberrations of the optical system, the compensation of the image; parallax, depth of field, vignetting of the optical system and / or of the sensor and / or image generator, lack of sharpness of the optical system and / or the sensor and / or the image generator, noise, Moire phenomena, and / or contrast, and / or at least one determined or selected parameter of the optical system is chosen from the group comprising: the number of optical elements of the system, the nature of the materials composing the optical elements of the optical system, the cost of the materials of the optical system, the optical surface treatment, the assembly tolerances, the parallax value as a function of the focal length, the aperture characteristics, the aperture mechanisms, the range of possible focal lengths, the focusing characteristics, the mechanisms debugging, anti-alias filters, size, depth of field, focal length and focus characteristics, geometric distortions, chromatic aber
  • the quality of the pixels is chosen from the group comprising: the quality of the pixels, the area of the pixels, the number of pixels, the matrix of microlenses, the anti filters - alias, the geometry of the pixels, the arrangement of the pixels,
  • the digital image processing means are, for example, defined as follows:
  • the maximum value of the number of pixels between the various colored spots, which can be corrected by the digital image processing means, is specified.
  • Parallax compensation is the maximum value of parallax that can be corrected by the digital processing means. This value is, for example, expressed in number of pixels. It is recalled that when the focal length varies, the position of the optical center can change and thus induce a change of parallax. Parallax is the variation of the position of the optical center that occurs when the focal length varies.
  • the sharpness is measured, for example, by a value called BXU which is a measure of the area of blur spot, as described in the article published in the "Proceedings of IEEE, International Conference of Image Processing, Singapore 2004", and entitled “Uniqueness of Blur Measure” by Jércons BUZZI and Frédéric GUICHARD.
  • the blur of an optical system is measured from the image, called "impulse response", of an infinitely small point located in the plane of sharpness.
  • the BXU parameter is the variance of the impulse response (ie its average surface). Processing capabilities can be limited to a maximum value of BXU.
  • the digital processing means may be specified to distinctly correct the various causes of the lack of sharpness, particularly to account for the symmetry of blur spots. For example, an astigmatic blur spot has two perpendicular axes of symmetry, whereas a "coma" blur spot has only one axis of symmetry.
  • Depth of field is defined as the distance between the nearest object plane and the farthest object plane for which the blur spot does not exceed predetermined dimensions.
  • the digital image processing means reduce the size of the blur spot. Vignetting is the variation of brightness in the field of the image. For example, we specify the maximum percentage of vignetting allowed in the image.
  • the noise is specified for example by its standard deviation, its shape, the size of the noise spot, as well as its coloration. Moire phenomena appear at high spatial frequencies. They are corrected with anti-alias filters.
  • the digital processing means are specified by the parameters of the anti-alias filters. It should be noted that anti-alias filtering can be carried out either by optical means or by digital means.
  • the digital processing means is specified by the minimum value of the magnitude of the contrast variations that can be improved.
  • the decentering is a property of the optical system that corrects the perspective effects.
  • pixel quality is understood to mean the sensitivity, the output and the noise produced by each pixel, as well as all the colors that can be captured. and / or reproduced reliably.
  • the dynamics of the signals captured by the pixels is also a quality of the latter.
  • the focusing can be carried out in various ways, in particular by controlling the position of moving elements of the optical system or by controlling the geometry of elements. deformable optics.
  • At least one parameter of the image sensor or generator is determined or selected from the digital image processing means which comprise means for reducing the noise. It is thus possible to obtain a given noise level for a given amount of light, by reducing the cost of the sensor.
  • the conventional technique of designing a capture and / or image generation apparatus consists of choosing an optical system and a sensor or generator and then reducing the noise but within the limit of the computing power available. .
  • the characteristics of the apparatus and the optical system are determined, in particular the dimensions, the blur, the color, contrast and noise characteristics.
  • the characteristics of the optics are determined secondly taking into account the image processing capabilities, as well as the characteristics of the image sensor or generator, in particular the number of pixels.
  • the optical system is preferably fixed focal and its aperture is optimized to take account of the digital image processing means which comprise blur correction means, in particular variables as a function of the position in the field of the image. image, and / or depth of field correction means, in particular variable as a function of the position in the field of the image, and / or vignetting correction means, and / or distortion correction means.
  • the digital image processing means which comprise blur correction means, in particular variables as a function of the position in the field of the image.
  • image, and / or depth of field correction means in particular variable as a function of the position in the field of the image
  • vignetting correction means in particular variable as a function of the position in the field of the image
  • distortion correction means in particular variables as a function of the position in the field of the image.
  • the apparatus comprises a servo control system in particular for controlling the focusing, and the digital image processing means comprising fuzziness correction means and / or depth of field correction means, the parameters of the optical system, in particular the position of the image plane as a function of the focusing distance and / or the focal length, are determined or selected so that the sharpness of the images is substantially homogeneous in the field of the image.
  • the focus plane is substantially independent of the focus area of the image whereas usually, due to the variation of curvature of the image field, Focus distance varies with the focus area.
  • the focus measure takes into account the subsequent correction.
  • the measurement takes into account the position in the field and the level of blur correction function of the position in the field. It is then sought to obtain maximum clarity not for the raw measurement as in a conventional device but for the measurement thus corrected.
  • the focus instruction also takes into account the correction capabilities. We can admit a certain level of blur that depends on the focal length and the known correction capabilities, and not seek, as in a conventional camera, to obtain the maximum sharpness during the development. The maximum level of the blur in the field is thus lower, and the minimum level in the field can be higher than in a conventional apparatus and is adapted to the capabilities of the image processing means.
  • the apparatus comprises an exposure control system and the exposure parameters of this servo system are determined or selected taking into account the correction capability of noise correction algorithms and / or or contrast and / or motion blur forming part of the digital image processing means, for example to obtain, after correction, a given level of quality in terms of noise, contrast and blur.
  • the exposure measurement taking into account the subsequent correction capabilities which, for example, reduces the noise by four, can be set a shorter exposure time to avoid camera shake and / or set a gain of higher sensor to allow views in low light or to decrease the aperture and increase the depth of field.
  • the advantages are a greater latitude of choice of the exposure parameters. In short, compared to existing systems, shorter exposure times, more closed apertures, and higher gains in the amount of light given in the scene can be chosen.
  • contrast correction for the same image quality, it may be necessary to have a lower sensitivity compared to a situation where contrast correction is not used.
  • contrast correction the exposure measurement taking into account the subsequent correction capabilities, may use a lower sensor gain for images with dark areas than for images that do not have, as long as the parts in the dark areas can be corrected by the contrast correction algorithm at the cost of an increase in noise.
  • the digital image processing means comprise means for correcting lateral chromatic aberration and / or blurring, and / or distortion, and / or vignetting, and / or noise, and / or parallax compensation,
  • the optical system is of variable focal length
  • the parameters of this optical system are determined or chosen in the group comprising the following parameters: the number of optical elements of the system, the nature of the materials optical system components, cost of optical system materials, optical surface treatment, color of optical system materials, assembly tolerances, parallax value as a function of focal length, and of focus.
  • the digital image processing means making a priori appropriate corrections and / or compensations, it is possible to optimize, in particular to minimize, the number of optical elements of the optical system, it is possible to optimize the nature of the optical system materials, we can reduce their cost, and we can optimize the treatment of optical surfaces.
  • the color of the optical system materials can be chosen at will, provided that color correction means are provided. Assembly tolerances can be released. The permissible range of parallax variations as a function of the focal length can be increased, and the focus characteristics can also be released.
  • a zoom type objective makes it possible to obtain variable focal lengths while preserving, for various focal lengths, the same focus.
  • a zoom lens is therefore relatively expensive since it must respect this constraint to keep the focus with the various values of focal lengths.
  • the invention by releasing the focus characteristics, makes it possible to achieve a less expensive zoom with the same performance, the characteristics of the setting. point being compensated by the digital image processing means.
  • the dimensions of the apparatus are determined according to the capabilities of the digital image processing means. In particular, the dimensions of the apparatus can be minimized.
  • the senor may be of reduced dimensions. It is possible to reduce the size of pixels, within the limits of the capacity of the digital image processing means to correct the defects resulting from a smaller pixel size and in particular the increase in noise that results therefrom. Similarly, it is possible to reduce the size of the pixels and to increase the aperture of the optics within the limits of the capabilities of the digital image processing means to correct the defects resulting from an increase in the aperture of the optics and in particular the increase of the resulting blur. Similarly, the size of the optical system can be minimized by providing a number of lenses such that the space requirement is less than the focal length, provided that the digital image processing means are provided to correct defects resulting from a high number of optical elements.
  • the dimensions of the servo system can also be reduced, the digital image processing means making it possible, for example, to minimize the displacement of the optical elements of the optical system and therefore the energy consumption, which leads to a reduction in the volume of the images.
  • the digital image processing means are at least partially included in the image capture and / or reproduction apparatus.
  • the digital image processing means may also be at least partially separated from the capture apparatus and / or restitution of images as is the case, for example, as explained above, when these digital means are in a computer.
  • the choice of the parameters of the optical system consists in selecting the optical system among pre-existing optical systems.
  • the sensor or generator parameters can also be selected by selecting the sensor or generator from among pre-existing generators or sensors.
  • the digital processing means compensating for the defects that result from the simplicity of the optical system.
  • the digital image processing means comprise means for acting on the lack of sharpness of the optical system and / or of the sensor and / or the image generator, and these means are such that they make it possible to achieve an apparatus for capturing and / or reproducing images without a servo system enabling the focusing.
  • digital image processing means which reduce the size of the blur spot so as to obtain the desired result.
  • digital image processing means which reduce the size of the blur spot can be produced by a larger aperture capture apparatus, for example from 2, 8 to 1. , 4, while maintaining the same depth of field.
  • a global specification of the apparatus is defined, and correlatively, interactively inter alia, specifications of the optical system and / or specifications of the sensor and / or image generator are established, and / or a specification of the servo system, and a specification of the digital image processing means according to the global specifications, so that the performance of the specifications of the system can be transferred.
  • optical, and / or specifications of the sensor and / or image generator, and / or the specifications of the servo system to the specifications of the digital image processing means, and / or so that the process makes it possible to reduce the production costs of the apparatus.
  • the specifications for a device, or one of its components, or digital image processing means all the technical specifications that the device, its components or the digital processing means must comply with. of images.
  • the image capture and / or reproduction apparatus comprises a servo system and at least one parameter of the sensor and / or the image generator and / or the servo system is determined or selected. from the capabilities of the digital image processing means.
  • the optical system is of variable focal length
  • the digital image processing means comprise means for correcting at least one of the characteristics included in the group comprising blurring, vignetting, noise and compensation. of parallax, and at least one parameter of this optical system is determined or chosen from the group comprising: the number of optical elements of the system, the nature of the materials composing the optical elements of the optical system, the cost of the optical system materials, the optical surface treatment, the color of the optical system materials, the assembly tolerances, the value of the parallax according to focal length, and focus characteristics.
  • the digital image processing means comprise means for improving the image quality by acting on at least one of the parameters of the group comprising: the vignetting of the sensor and / or the image generator, the lack of sharpness of the sensor and / or the image generator, noise, moire phenomena, and / or contrast,
  • the quality of the pixels comprising: the quality of the pixels, the area of the pixels, the number of pixels, the matrix of microlenses, the anti-reflection filters, alias, the geometry of the pixels, the arrangement of the pixels,
  • the focus measurement relating to at least one element of the group comprising: the focus measurement, the exposure measurement, the white balance measurement, the set point debugging, the opening set point, the set time setpoint, the sensor gain setpoint.
  • At least one parameter of the sensor or image generator relative to the dimensions of the sensor or generator is determined or selected, the digital image processing means comprising noise reduction means making it possible to minimize the dimensions of the sensor or image generator.
  • At least one parameter of the optical system in particular the position of the image plane depending on the focusing distance and / or the focal distance, is determined or selected. so that the sharpness of the images is homogeneous in the field of the image, the servo system taking into account the position of the image plane depending on the focus distance and / or focal length.
  • the apparatus comprises a servo system
  • at least one parameter of this servo system, in particular the exposure parameters is determined or selected taking into account the correction capacity of correction algorithms.
  • noise and / or contrast and / or motion blur being part of the digital image processing means.
  • the digital image processing means comprise means for acting on the lack of sharpness of the optical system and / or the sensor and / or the image generator, these means being such that they make it possible to perform a apparatus for capturing and / or reproducing images without a focus servo system.
  • the dimensions of the apparatus are determined according to the capabilities of the digital image processing means.
  • the digital image processing means are at least partially included in the image capture and / or reproduction apparatus.
  • the digital image processing means are at least partially separated from the image capture or rendering apparatus.
  • the optical system is selected from pre-existing optical systems.
  • the sensor or generator is selected from pre-existing sensors or generators.
  • the digital image processing means includes means for improving the image quality by acting on at least one of the parameters of the group including: vignetting of the optical system and / or sensor and / or image generator, lack of sharpness of the optical system and / or sensor and / or image generator, noise, moire phenomena, and / or contrast.
  • the invention also relates to an apparatus for capturing and / or restoring images obtained by the embodiment method defined above.
  • FIG. 1 is a diagram of an apparatus obtained by the method according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing steps of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a mode of adjustment according to FIG.
  • FIGS. 4a and 4b form a set of diagrams showing adjustments used in the context of the invention
  • FIGS. 5, 5a and 5b illustrate a property of an image capture apparatus according to the invention and of a conventional apparatus
  • FIGS. 6a to 6d are diagrams showing the properties of an optical system of an apparatus according to the invention and of a conventional apparatus
  • FIGS. 7a and 7b are diagrams showing an example of optical system selection for an apparatus according to the invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the architecture of a device for capturing or restoring images.
  • Such an apparatus for example of image capture, comprises, on the one hand, an optical system 22, in particular with one or more optical elements such as lenses, intended to form an image on a sensor 24.
  • this sensor may be of another type, for example a photographic film in the case of a so-called "film camera”.
  • Such an apparatus also comprises a servo-control system 26 acting on the optical system 22 and / or on the sensor 24 in order to focus so that the image plane is on the sensor 24, and / or for the amount of light received on the sensor is optimal by setting the exposure time and / or opening, and / or that the colors obtained are correct, by performing a control of the white balance.
  • the apparatus comprises digital image processing means 28.
  • these digital image processing means are separated from the apparatus 20. It is also possible to provide a portion of the image processing means in the apparatus 20 and a portion outside the apparatus 20.
  • the digital processing of the image is performed after the image is recorded by the sensor 24.
  • An image rendering apparatus has a structure analogous to an image capture apparatus. Instead of a sensor 24, there is provided a generator 24 'of images receiving images of digital image processing means 28' and supplying the images to an optical system 22 ', such as a projection optical system .
  • the invention is based on the capabilities of the digital image processing means 28, 28 'for determining or selecting the parameters of the optical system 22, 22', and / or the image sensor or generator 24, 24 'and / or or the servo system 26.
  • the performance level achievable with each of the components of the apparatus when associated with digital image processing means is shown in the diagram of Figure 2. . These levels are represented by the broken line 30 for the optical system, the broken line 32 for the sensor, the line 34 for the servo, and the dashed line 36 for the device.
  • the level of performance of the optical system can be set at 30 '
  • the levels of the performance of the sensor and the servo system can be set at the levels 32' and 34 ', respectively.
  • the level of performance of the apparatus would be at the lowest level, for example the level 36 'corresponding to the lowest level 30' for the optical system.
  • the digital image processing means are preferably those described in the following documents:
  • Patent Application EP 02751241.7 entitled “Method and system for producing formatted information related to device faults in a chain of formatted apparatus and information for image processing means".
  • Patent Application EP 02743349.9 for: "Method and system for modifying the qualities of at least one image originating from or intended for a chain of appliances".
  • Patent Application EP 02747504.5 for: "Method and system for reducing the frequency of updates of image processing means”.
  • Patent Application EP 02748934.3 for: "Method and system for correcting the chromatic aberrations of a color image produced by means of an optical system".
  • Patent application EP 02743348.1 for: “Method and system for producing formatted information related to geometric distortions”
  • Patent application EP 02748933.5 for: “Method and system for providing, in a standard format, information formatted to means of image processing” .
  • Patent Application EP 02747506.0 for: "Method and system for producing formatted information related to the defects of at least one device of a chain, in particular to blur".
  • Patent application EP 02745485.9 for: "Method and system for modifying a digital image by taking into account its noise”.
  • Patent Application PCT / FR 2004/050455 for: "Method and system for modifying a digital image in a differentiated and quasi-regular manner by pixel".
  • an optical system can distort the images so that a rectangle can be deformed into a cushion, with a convex shape of each of the sides or in a barrel with a concave shape of each of the sides.
  • chromatic aberrations of the optical system if an object point is represented by three colored spots having Precise positions relative to each other, chromatic aberration results in a variation of position of these spots relative to each other, the aberrations being, in general, all the more important as one moves away from the center. of the image .
  • Parallax when an adjustment is made by deformation or displacement of an optical element of the optical system, the image obtained on the image plane can move.
  • the setting is, for example, a focal length adjustment, or a focus adjustment.
  • This defect is illustrated in FIG. 3, in which there is shown an optical system 40 with three lenses in which the center of the image has position 42 when the lens 44 has the position shown in solid lines. When the lens 44 moves to take the position 44 ', shown in phantom, the center of the image takes the position 42'.
  • Depth of field when the optical system is focused on a specific object plane, the images of this plane remain clear as well as the images of the objects close to this plane.
  • depth of field is the distance between the nearest object plane and the farthest object plane for which the images remain sharp.
  • vignetting in general, the brightness of the image is maximum in the center and decreases as one moves away from the center. Vignetting is measured by the difference, in percent, between the brightness at a point and the maximum brightness.
  • the sound of the image is generally defined by its standard deviation, its shape, and the size of the noise spot and its coloration.
  • the moiré phenomenon is an image distortion that occurs when there are high spatial frequencies. Moiré is corrected by setting the anti-alias filters.
  • the contrast is the ratio between the highest and the lowest brightness values of the image for which details of the image are still visible.
  • the contrast (FIG. 4a) of an image can be improved, that is, extended
  • the image surface of an object plane does not constitute a perfect plane but presents a curvature, called a curvature of field.
  • This curvature varies according to various parameters including focus and focus.
  • the position of the image plane 50 depends on the area on which the focus is made.
  • the plane 50 corresponds to a focus in the center 52 of the image.
  • the image plane 56 is closer to the optical system 22 than the image plane 50.
  • the image plane is positioned at a position 58, intermediate between the positions 54 (corresponding to a focus on an area near the edge of the image), and 50 ( corresponding to a focus on an area in the center of the image).
  • the combination of the digital image processing means 28 with the focus servocontrol 26 makes it possible to limit the displacement of the plane 58 for focusing, which reduces the energy consumption of the servo system and enables reduce the volume of its components.
  • FIG. 5a shows the blur properties with a conventional focus servo system in which the maximum sharpness is obtained at the center of the image.
  • the field of the image is plotted on the abscissa and the value of blur on the ordinate expressed in BXU.
  • the blur is, in the center, 1, 3 and at the edge of the image, 6, 6.
  • FIG. 5b is a diagram similar to that of FIG.
  • the digital image processing means comprise means of improving the sharpness such that they make it possible to dispense with focusing servocontrol.
  • FIGS. 6a, 6b, 6c and 6d show the characteristics of an apparatus obtained according to the conventional technique and those of an apparatus obtained with the method according to the invention.
  • the conventional apparatus is a digital photography apparatus integrated with a mobile phone having a VGA sensor, ie, a 640 x 480 resolution without a focus system.
  • the conventional apparatus has an opening of 2, 8 while the apparatus obtained with the process according to the invention has an opening of 1, 4.
  • FIG. 6a which corresponds to the conventional apparatus, is a diagram on which the percentage of field of the image is represented on the abscissa, the origin corresponding to the center of the image.
  • FIG. 6b is a similar diagram for an apparatus obtained according to the invention.
  • the vignetting reaches the value 0, 7 at the edge of the image while in the diagram of FIG. 6b shows that the optical system of the apparatus according to the invention has a substantially larger vignetting, of the order of 0.3.
  • the correction limit of the algorithm used is 0, 25. In other words, thanks to the correction algorithm it is possible to use a substantially larger vignetting optics.
  • FIG. 6c is a diagram representing, on the ordinate, the blur, expressed in BXU, as a function of the field of the image (in abscissas) for a conventional apparatus.
  • the blur characteristic is 1.5 in the center and 4 at the edge of the image.
  • the diagram of FIG. 6d also shows the blur for the optics of the apparatus obtained with the method according to the invention.
  • the field of the image is also represented and on the ordinate the blur expressed in BXU.
  • the blur in the center of the image is of the order of 2, 2. It is therefore greater than the blur of the diagram of Figure 6c.
  • a blur of about 3 was chosen, taking into account the limit of the correction algorithm.
  • degraded optics have been chosen with regard to sharpness in the center, whereas the same results are obtained as with the conventional apparatus, with, in addition, an upper aperture.
  • the optics of the apparatus according to the invention represent a quality analogous to that of conventional optics, this result being obtainable due to the degradation of the vignetting with respect to the classic optics.
  • the optical system provides a small image spot 100.
  • This system has a Modulation Transfer Function (MTF) represented by a diagram where the spatial frequencies are in abscissa.
  • the value of the cutoff frequency is fc.
  • the FTM function comprises a level 110 in the vicinity of the zero frequencies and a part decreasing rapidly towards the value fc.
  • the optic represented by the diagram of FIG. 7b has an image spot 114 of dimensions substantially greater than the image spot 100 and its FTM has the same cutoff frequency fc as in the case of FIG. 7a.
  • the variation of this MTF as a function of the spatial frequency is different: this frequency decreases relatively regularly from the origin towards the cutoff frequency.
  • the optics shown in FIG. 7b will provide more detail than the optics shown in FIG. 7a, and this despite the fact that the image spot is larger than in the case of Figure 7a. We will therefore choose the optics corresponding to Figure 7b.

Abstract

L'invention concerne un procédé de réalisation d'un appareil (20) de capture et/ou de restitution d'images qui comprend un système optique (22, 22') de capture et/ou de restitution d'images, un capteur (24) et/ou générateur (24') d'images, et/ou un système d'asservissement (26), l'image étant traitée, en vue de son amélioration, par des moyens numériques (28, 28') de traitement d'images. Le procédé est tel qu'on détermine ou sélectionne les paramètres du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d'images et/ou du système d'asservissement, à partir des capacités des moyens numériques de traitement d'images. On minimise ainsi les coûts de réalisation et/ou on optimise les performances de l'appareil de capture et/ou de restitution d'images.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN APPAREIL DE CAPTURE ET/OU DE RESTITUTION D' IMAG-ES ET APPAREIL OBTENU PAR CE PROCEDE
L' invention est relative à un procédé de réalisation d' un appareil de capture et/ou de restitution d' images qui comprend un système optique de capture et/ou de restitution d' images, un capteur et/ou générateur d' images, et/ou un système d' asservissement, l' image étant traitée, en vue de son amélioration, par des moyens numériques de traitement d' images .
L' invention vise notamment à optimiser l' ouverture du système optique d' un appareil de capture et/ou de restitution d' images . L' invention concerne aussi un appareil obtenu par un tel procédé de réalisation.
Les techniques connues de conception ou de réalisation de tels appareils de capture et/ou de restitution d' images, tels que des appareils de photos numériques ou argentiques, ou des projecteurs vidéos ou projecteurs d' images, consistent à sélectionner en premier lieu les propriétés des éléments matériels de l' appareil, notamment le système optique de visualisation ou de projection, le capteur ou générateur d' images et le système d' asservissement . Ensuite, le cas échéant, on prévoit des moyens numériques de traitement d' images pour corriger les défauts d' au moins l' un des éléments matériels de l' appareil . En particulier, pour concevoir un système optique d' appareil, on établit tout d' abord un cahier des charges, c' est-à- dire qu' on spécifie l' encombrement, les plages de focales, les plages d' ouverture, le champ couvert, les performances exprimées, soit en taille de tache image, soit en valeur de FTM (fonction de transfert de modulation) , et le coût . A partir de ce cahier des charges, on sélectionne un type de système optique et, à l' aide d' un outil logiciel de calcul optique, tel que l' outil « Zemax », on sélectionne les paramètres de ce système permettant de respecter au mieux les spécifications du cahier des charges . Cette mise au point du système optique s' effectue de façon interactive . De façon générale, un système optique est conçu pour qu' il présente la meilleure qualité au centre de l' image et, habituellement, la qualité aux bords de l' image est de niveau inférieur . En outre, les techniques habituelles sont telles que le système optique est conçu de façon à obtenir un niveau déterminé de distorsion, de vignetage, et de flou, afin que le système optique puisse être comparé à d' autres systèmes optiques .
Par ailleurs, pour les appareils photographiques numériques, on spécifie aussi les caractéristiques du capteur, à savoir : la qualité des pixels, la superficie des pixels, le nombre de pixels, la matrice de microlentilles, les filtres anti-alias, la géométrie des pixels, et la disposition des pixels .
La technique habituelle consiste à sélectionner le capteur d' un appareil de capture d' images indépendamment des autres éléments de l' appareil et, notamment, du système de traitement d' image .
Les appareils de capture et/ou générateurs d' images comportent aussi habituellement un ou plusieurs systèmes d' asservissement tels qu' un système d' exposition et/ou un système de mise de point (« autofocus ») .
Ainsi, pour spécifier un système d' exposition qui commande l' ouverture et le temps de pose, éventuellement le gain du capteur, on détermine les modes de mesure, en particulier on détermine les zones de l' image sur lesquelles l' exposition sera mesurée ainsi que le poids affecté à chaque zone . Pour un système de mise au point, on détermine le nombre et la position des zones de l' image qui seront utilisées pour effectuer la mise au point . On spécifie aussi, par exemple, une consigne de déplacement du moteur . Dans tous les cas, ces spécifications s' effectuent indépendamment de la présence ou non de moyens numériques de traitement d' image .
L' invention part de la constatation que ces techniques classiques de conception ou de réalisation d' appareils ne permettent pas de profiter pleinement des possibilités offertes par les moyens numériques de traitement d' images .
Ainsi, l' invention concerne, de façon générale, un procédé de réalisation d' un appareil de capture et/ou de restitution d' images qui comprend un système optique de capture et/ou de restitution d' images, et un capteur et/ou générateur d' images, et/ou un système d' asservissement, l' image étant traitée, en vue de son amélioration, par des moyens numériques de traitement d' images ; procédé dans lequel on détermine ou sélectionne les paramètres du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images, et/ou du système d' asservissement, à partir des capacités des moyens numériques de traitement d' images, de sorte à minimiser les coûts de réalisation et/ou à optimiser les performances de l' appareil de capture et/ou de restitution d' images .
On notera qu' il est déjà connu de dégrader délibérément la caractéristique de distorsion d' un système optique pour favoriser la correction des autres aberrations, la distorsion étant corrigée par un système de traitement numérique d' images . Avec un tel système optique, qui relâche les contraintes de distorsion, on peut prévoir un nombre plus faible de surfaces et donc une diminution du coût . En variante, on peut augmenter les performances sans augmenter le coût total . On peut également obtenir des systèmes à plus grand angle .
Mais, l' état de la technique ne montre ni ne suggère de solution satisfaisante à divers problèmes résolus par l' invention, notamment : - optimiser l' ouverture d' un système optique d' un appareil de prise de vue ou de restitution d' images . Par « optimiser » on entend, par rapport à un appareil classique, augmenter l' ouverture sans en augmenter le prix, ou maintenir une ouverture correcte tout en diminuant le prix de l' appareil ou, de façon générale, pouvoir choisir à volonté les paramètres d' ouverture, de prix et de performance .
Ainsi, selon un premier de ses aspects, l' invention concerne un procédé de réalisation de l' appareil de capture et/ou de restitution d' images qui comprend un système optique de capture et/ou de restitution d' images, un capteur et/ou générateur d' images, l' image étant traitée, en vue de son amélioration, par des moyens numériques de traitement d' images, le procédé étant tel que les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens de correction propres à corriger au moins l' une des caractéristiques comprises dans le groupe comportant le flou, le flou variable en fonction de la position dans le champ de l' image, la profondeur de champ, la profondeur de champ variable en fonction de la position dans le champ d' image, et le vignetage, et le procédé étant tel qu' on optimise l' ouverture du système optique, notamment à focale fixe, pour tenir compte des moyens de correction.
Dans une réalisation, le procédé est tel que les moyens numériques de traitement d' images comportent en outre, de façon en soi connue, des moyens de correction de distorsion .
De façon générale, on notera que, bien que le procédé selon l' invention puisse faire appel à des moyens de correction de distorsion, elle concerne la réalisation d' un appareil dans lequel on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images et/ou du système d' asservissement à partir des capacités des moyens numériques de traitement d' images autres que la correction de distorsion.
Dans une réalisation, pour laquelle on prévoit à la fois des moyens de correction de flou et de vignetage, par rapport à une optique classique on dégrade le vignetage et la netteté au centre afin d' obtenir, à qualité globale égale, une ouverture supérieure .
Dans une réalisation, qui peut s' utiliser indépendamment du premier aspect de l' invention mentionné ci-dessus, le système optique est à focale variable, et le procédé est en outre tel que : les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens de correction des aberrations chromatiques latérales et/ou de flou, et/ou de vignetage, et/ou de bruit et/ou de compensation de parallaxe, et on détermine ou choisit au moins un paramètre de ce système optique en tenant compte des moyens numériques de traitement d' images, dans le groupe comprenant les paramètres suivants : le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, la couleur des matériaux du système optique, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, et les caractéristiques de mise au point .
Selon encore un autre de ses aspects, qui peut s' utiliser indépendamment des autres aspects mentionnés ci-dessus, l' invention concerne un tel procédé de réalisation d' un appareil de capture et/ou de restitution d' images qui comprend un système optique de capture et/ou de restitution d' images, un capteur et/ou générateur d' images, et/ou un système d' asservissement, l' image étant traitée en vue de son amélioration par des moyens numériques de traitement d' images, le procédé étant tel qu' on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur et/ou du générateur d' images et/ou du système d' asservissement à partir des capacités des moyens numériques de traitement d' images .
Définitions :
On précise ici la signification des divers termes utilisés : - Un appareil de capture d' images est, par exemple, un appareil photo jetable, un appareil photo numérique, un appareil reflex (numérique ou pas) , un scanner, un fax, un endoscope, une caméra, un caméscope, une caméra de surveillance, un jouet, une caméra ou un appareil photo intégré ou relié à un téléphone, à un assistant personnel ou à un ordinateur, une caméra thermique, un appareil d' échographie , un appareil d' imagerie IRM (résonance magnétique) , un appareil de radiographie à rayons X.
Un appareil de restitution d' images est, par exemple, un écran, un projecteur, un téléviseur, des lunettes de réalité virtuelle, ou une imprimante .
Un appareil de capture et de restitution d' images, est par exemple, un scanner/fax/imprimante, un mini lab d' impression photos, un appareil de vidéo conférence . Par système optique de capture d' images, on entend les moyens optiques permettant de restituer des images sur un capteur .
Par système optique de restitution d' images, on entend les moyens optiques permettant de former des images sur un écran ou de restituer vers l' observateur une image existant déjà sur un écran. II est aussi possible de se passer d' écran pour restituer une image .
Par écran, on entend tout support physique sur lequel peut être formée une image .
Par capteur d' images, on entend des moyens mécaniques, chimiques, ou électroniques permettant la capture et/ou l' enregistrement d' une image .
Par générateur d' images, on entend, par exemple, les circuits d' un récepteur de télévision, un écran à cristaux liquides, les moyens d' impression d' une imprimante, les systèmes de commande d' un moyen de projection à micro miroirs . Par système d' asservissement, on entend des moyens de type mécanique, chimique, électronique, ou informatique permettant que des éléments ou paramètres de l' appareil respectent une consigne . Il s' agit notamment du système de mise au point automatique
(autofocus) , du contrôle automatique de la balance des blancs, du contrôle automatique de l' exposition, du contrôle d' éléments optiques, afin, par exemple, de conserver une qualité uniforme d' images, d' un système de stabilisation d' image, d' un système de contrôle de facteur de zoom optique et/ou numérique, ou d' un système de contrôle de saturation, ou d' un système de contrôle de contraste . Par moyens numériques de traitement d' images, on entend par exemple un logiciel et/ou un composant et/ou un équipement et/ou un système permettant de modifier la qualité de l' image .
Les moyens numériques de traitement d' images peuvent prendre diverses formes selon l' application . Les moyens numériques de traitement d' images peuvent être intégrés, en tout ou partie, à l' appareil, comme dans les exemples suivants :
- Un appareil de capture d' images qui produit des images modifiées, par exemple un appareil photo numérique qui intègre des moyens de traitement d' images .
- Un appareil de restitution d' images qui affiche ou imprime des images modifiées, par exemple un projecteur vidéo ou une imprimante incluant des moyens de traitement d' images .
Un appareil mixte qui corrige les défauts de ses éléments, par exemple un scanner/imprimante/télécopieur incluant des moyens de traitement d' images .
- Un appareil de capture d' image professionnel qui produit des images modifiées, par exemple un endoscope incluant des moyens de traitement d' images . Dans le cas où les moyens numériques de traitement d' images sont intégrés à l' appareil, en pratique l' appareil corrige ses propres défauts .
Quand on a affaire à une chaîne d' appareils, par exemple un télécopieur avec un scanner et une imprimante, l' utilisateur peut toutefois n' utiliser qu' une partie des appareils de la chaîne, par exemple si le télécopieur peut aussi être utilisé comme une imprimante seule ; dans ce cas, les moyens numériques doivent corriger chacun des appareils . Les moyens numériques de traitement d' images peuvent être intégrés, en tout ou partie, à un ordinateur par exemple de la façon suivante :
- Dans un système d' exploitation, par exemple de marque Windows ou Mac OS, pour modifier automatiquement la qualité des images provenant de, ou destinées à, plusieurs appareils variant selon l' image et/ou dans le temps, par exemple des scanners, appareils photos, imprimantes . La correction automatique peut avoir lieu, par exemple, lors de l' entrée de l' image dans le système, ou lors d' une demande d' impression par l' utilisateur .
- Dans une application de traitement d' images, par exemple Photoshop™, pour modifier automatiquement la qualité d' images provenant de, ou destinées à, plusieurs appareils variant selon l' image et/ou dans le temps, par exemple des scanners, appareils photos, imprimantes . La correction automatique peut avoir lieu par exemple lorsque l' utilisateur active une commande de filtre dans Photoshop™.
Dans un appareil de tirage photo (par exemple «Photofinishing » ou « Minilab » en anglais) , pour modifier automatiquement la qualité d' images provenant de plusieurs appareils photos variant selon l' image et/ou dans le temps, par exemple des appareils jetables, appareils photos numériques, disques compacts . La correction automatique peut prendre en compte les appareils photos ainsi que le scanner et l' imprimante intégrés et s' effectuer au moment où les travaux d' impression sont lancés .
- Sur un serveur, par exemple sur Internet, pour modifier automatiquement la qualité d' images provenant de plusieurs appareils photos variant selon l' image et/ou dans le temps, par exemple des appareils jetables ou des appareils photos numériques ; la correction automatique peut prendre en compte les appareils photos ainsi que, par exemple, une imprimante et s' effectuer au moment où les images sont enregistrées sur le serveur, ou au moment où des travaux d' impression sont lancés .
Dans le cas où les moyens de traitement d' images sont intégrés à un ordinateur, en pratique les moyens de traitement d' images sont compatibles avec de multiples appareils, et au moins un appareil d' une chaîne d' appareils peut varier d' une image à l' autre .
Dans une réalisation, on ajuste le niveau des performances du système optique et/ou du capteur et/ou générateur d' images, et/ou du système d' asservissement, notamment les niveaux moyens de performance, au niveau des performances des moyens numériques de traitement d' images . Ainsi, le niveau global des performances étant dicté par la partie de l' appareil qui présente le niveau de performance le plus faible, on fixe à priori les niveaux souhaités de performances en fonction des capacités des moyens numériques de traitement d' images et on choisit le système optique, le capteur ou générateur et/ou le système d' asservissement ayant des performances inférieures mais permettant d' atteindre les performances déterminées à partir des moyens numériques de traitement d' images .
Les performances d' un appareil sont notamment, son coût, son encombrement, la quantité de lumière minimale qu' il peut recevoir ou émettre, la qualité de l' image, et les caractéristiques techniques de l' optique, du capteur et de l' asservissement . Les performances des moyens numériques de traitement d' images sont les limites des capacités de ces moyens .
Selon une réalisation :
- les moyens numériques de traitement d' images comportent un moyen pour améliorer la qualité d' image en agissant sur au moins l' un des paramètres du groupe comprenant : les distorsions géométriques du système optique, les aberrations chromatiques du système optique, la compensation de parallaxe, la profondeur de champ, le vignetage du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images, le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images, le bruit, les phénomènes de moiré, et/ou le contraste, - et/ou au moins un paramètre déterminé ou sélectionné du système optique est choisi dans le groupe comportant : le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, les caractéristiques d' ouverture, les mécanismes d' ouverture, la plage de focales possibles, les caractéristiques de mise au point, les mécanismes de mise au point, les filtres anti-alias, l' encombrement, la profondeur de champ, les caractéristiques liant la focale et la mise au point, les distorsions géométriques, les aberrations chromatiques, le décentrement, le vignetage, les caractéristiques de netteté,
- et/ou au moins un paramètre déterminé ou sélectionné du capteur et/ou générateur d' images est choisi dans le groupe comportant : la qualité des pixels, la superficie des pixels, le nombre de pixels, la matrice de microlentilles, les filtres anti- alias, la géométrie des pixels, la disposition des pixels,
- et/ou au moins un paramètre déterminé ou sélectionné du système d' asservissement est choisi dans le groupe comportant : la mesure de mise au point, la mesure d' exposition, la mesure de balance des blancs, la consigne de mise au point, la consigne d' ouverture, la consigne de temps de pose, la consigne de gain du capteur. Les capacités des moyens numériques de traitement d' images sont, par exemple, définies de la façon suivante :
Pour la distorsion géométrique, on spécifie le pourcentage maximal de distorsion pouvant être corrigé .
Pour les aberrations chromatiques du système optique on spécifie la valeur maximale du décalage, en nombre de pixels, entre les diverses taches colorées, qui peut être corrigée par les moyens numériques de traitement d' image .
- La compensation de parallaxe est la valeur maximale de la parallaxe qui peut être corrigée par les moyens numériques de traitement . Cette valeur est, par exemple, exprimée en nombre de pixels . On rappelle que lorsque la distance focale varie, la position du centre optique peut changer et ainsi induire un changement de parallaxe . La parallaxe est la variation de la position du centre optique qui intervient quand la distance focale varie .
La netteté se mesure, par exemple, par une valeur dénommée BXU qui est une mesure de la surface de tache de flou, telle que décrite dans l' article publié dans les « Proceedings of IEEE, International Conférence of Image Processing, Singapore 2004 », et intitulé « Uniqueness of Blur Measure » de Jérôme BUZZI et Frédéric GUICHARD.
De façon simplifiée, le flou d' un système optique se mesure à partir de l' image, appelée « réponse impulsionelle », d' un point infiniment petit situé dans le plan de netteté . Le paramètre BXU est la variance de la réponse impulsionelle (c' est-à-dire sa surface moyenne) . Les capacités du traitement peuvent être limitées à une valeur maximale de BXU.
Les moyens numériques de traitement peuvent être spécifiés pour corriger de façon distincte les diverses causes à l' origine du manque de netteté, en particulier pour tenir compte de la symétrie des taches de flou. Par exemple, une tache de flou astigmatique présente deux axes de symétrie perpendiculaires, alors qu' une tache de flou de type « coma » ne présente qu' un seul axe de symétrie .
- La profondeur de champ est définie comme étant la distance entre le plan objet le plus proche et le plan objet le plus éloigné pour lesquels la tache de flou ne dépasse pas des dimensions prédéterminées . Pour augmenter la profondeur de champ, les moyens numériques de traitement de l' image réduisent les dimensions de la tache de flou . Le vignetage est la variation de luminosité dans le champ de l' image . Par exemple, on spécifie le pourcentage maximal de vignetage autorisé dans l' image .
Le bruit est spécifié par exemple par son écart type, sa forme, la dimension de la tache de bruit, ainsi que sa coloration . Les phénomènes de moiré apparaissent aux hautes fréquences spatiales . Ils sont corrigés grâce à des filtres anti-alias . Les moyens numériques de traitement sont spécifiés par les paramètres des filtres anti-alias . II est à noter que le filtrage anti-alias peut être réalisé, soit par des moyens optiques, soit par des moyens numériques .
Pour le contraste, les moyens numériques de traitement sont spécifiés par la valeur minimale de l' amplitude des variations du contraste qui peut être améliorée .
En ce qui concerne les paramètres du système optique, on rappelle que le décentrement est une propriété du système optique qui permet de corriger les effets de perspective .
En ce qui concerne les paramètres du capteur et/ou du générateur d' images : par « qualité des pixels », on entend notamment la sensibilité, le rendement et le bruit produit par chaque pixel , ainsi que l' ensemble des couleurs pouvant être captées et/ou reproduites de manière fiable . La dynamique des signaux capturables par les pixels constitue également une qualité de ces derniers .
Pour le système d' asservissement permettant la mise au point automatique, on rappelle que la mise au point peut être effectuée de diverses manières notamment par le contrôle de la position d' éléments mobiles du système optique ou par le contrôle de la géométrie d' éléments optiques déformables .
Dans une réalisation, on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur ou générateur d' images, notamment les dimensions, à partir des moyens numériques de traitement d' images qui comportent des moyens de réduction du bruit . On peut ainsi obtenir un niveau de bruit donné pour une quantité de lumière donnée, en réduisant le coût du capteur .
On rappelle que la technique classique de conception d' un appareil de capture et/ou génération d' images consiste à choisir un système optique et un capteur ou générateur et, ensuite, à réduire le bruit mais dans la limite de la puissance de calcul disponible . Dans une réalisation, tenant compte des capacités des moyens numériques de traitement d' images, on détermine en premier lieu les caractéristiques de l' appareil et du système optique, notamment les dimensions, le flou, les caractéristiques de couleur, de contraste, de bruit, de détails, on détermine en second lieu les caractéristiques de l' optique en tenant compte des capacités de traitement d' image, ainsi que les caractéristiques du capteur ou générateur d' images, notamment le nombre de pixels .
Dans une réalisation, le système optique est de préférence à focale fixe et son ouverture est optimisée pour tenir compte des moyens numériques de traitement d' images qui comportent des moyens de correction de flou, notamment variables en fonction de la position dans le champ de l' image, et/ou des moyens de correction de profondeur de champ, notamment variables en fonction de la position dans le champ de l' image, et/ou des moyens de correction de vignetage, et/ou des moyens de correction de distorsions .
On peut ainsi maximiser l' ouverture du système optique. Par rapport à un appareil de capture d' images dépourvu de moyen de correction, on peut ainsi utiliser : - des capteurs moins sensibles notamment avec des pixels plus petits et donc des capteurs plus petits à nombre de pixels donné pour réduire l' encombrement,
- ou des temps de pose plus courts, ce qui réduit le flou de bougé, - ou pousser les limites d'utilisation de l' appareil et permettre une qualité d' image identique avec moins de lumière .
Dans une réalisation, l' appareil comprend un système d' asservissement permettant notamment de commander la mise au point, et les moyens numériques de traitement d' images comportant des moyens de correction de flou et/ou des moyens de correction de profondeur de champ, les paramètres du système optique, notamment la position du plan image fonction de la distance de mise au point et/ou de la focale, sont déterminés ou sélectionnés de telle sorte que la netteté des images soit sensiblement homogène dans le champ de l' image . Ainsi, on ne cherche pas obligatoirement à obtenir la netteté maximale avant le traitement numérique dans la zone de l' image qui sert à la mise au point. Dans ce cas, dans une réalisation, le plan de mise au point est pratiquement indépendant de la zone de l' image servant à la mise au point alors qu'habituellement, en raison de la variation de courbure du champ de l' image, la distance de mise au point varie avec la zone de mise au point.
Ainsi, la mesure de mise au point tient compte de la correction ultérieure. Par exemple la mesure tient compte de la position dans le champ et du niveau de correction de flou fonction de la position dans le champ. On cherche alors à obtenir une netteté maximale non pas pour la mesure brute comme dans un appareil classique mais pour la mesure ainsi corrigée . La consigne de mise au point tient aussi compte des capacités de correction. On peut admettre un certain niveau de flou qui dépend de la focale et des capacités connues de correction, et non pas chercher, comme dans un appareil classique, à obtenir la netteté maximale lors de la mise au point . Le niveau maximal du flou dans le champ est ainsi plus faible, et le niveau minimal dans le champ peut être plus élevé que dans un appareil classique et est adapté aux capacités des moyens de traitement d' image .
La variation du niveau de flou lorsque la focale varie sans changer la mise au point peut ainsi être plus importante que dans un appareil classique, ce qui permet de simplifier l' optique et, ainsi, de réduire les coûts, puisque le système d' asservissement de mise au point peut tenir compte de la focale et adapter la mise au point lorsque la focale varie . Dans une réalisation, l' appareil comprend un système d' asservissement d' exposition et les paramètres d' exposition de ce système d' asservissement, sont déterminés ou sélectionnés en tenant compte de la capacité de correction d' algorithmes de correction de bruit et/ou de contraste et/ou de flou de bougé faisant partie des moyens numériques de traitement d' images, par exemple pour obtenir, après correction, un niveau donné de qualité en terme de bruit, de contraste et de flou.
Avec une correction de bruit, on peut, pour la même qualité d' image, faire appel à une sensibilité supérieure par rapport à une situation où on ne fait pas appel à une correction de bruit .
Ainsi, la mesure d' exposition tenant compte des capacités de correction ultérieures, qui, par exemple, permet de diminuer le bruit par quatre, on peut fixer un temps de pose plus court pour éviter le flou de bougé et/ou fixer un gain du capteur plus élevé pour permettre des vues en basse lumière ou pour diminuer l' ouverture et augmenter la profondeur de champ. Autrement dit, les avantages sont une plus grande latitude de choix des paramètres d' exposition. En bref, par rapport aux systèmes existants, on peut choisir des temps de pose plus courts, des ouvertures plus fermées, et des gains plus élevés à quantité de lumière donnée dans la scène .
Avec une correction de contraste, on peut, pour la même qualité d' image, avoir besoin d' une sensibilité inférieure par rapport à une situation où on ne fait pas appel à une correction de contraste. Avec une correction de contraste, la mesure d' exposition tenant compte des capacités de correction ultérieures, peut faire appel à un gain du capteur plus faible pour les images ayant des zones sombres que pour les images n' en ayant pas, dans la mesure où les parties se trouvant dans les zones sombres sont corrigeables par l' algorithme de correction de contraste au prix d' une augmentation du bruit .
Selon une réalisation :
- les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens de correction des aberrations chromatiques latérales et/ou de flou, et/ou de distorsion, et/ou de vignetage, et/ou de bruit, et/ou de compensation de parallaxe,
- le système optique est à focale variable, et
- on détermine ou choisit les paramètres de ce système optique dans le groupe comprenant les paramètres suivants : le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, la couleur des matériaux du système optique, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, et les caractéristiques de mise au point .
Ainsi, avec les moyens numériques de traitement d' images effectuant a priori des corrections et/ou compensations appropriées, on peut optimiser, notamment minimiser, le nombre d' éléments optiques du système optique, on peut optimiser la nature des matériaux du système optique, on peut réduire leur coût, et on peut optimiser le traitement des surfaces optiques . La couleur des matériaux du système optique peut être choisie à volonté, pour autant que des moyens de correction de couleurs soient prévus . Les tolérances d' assemblage peuvent être relâchées . Les valeurs des variations autorisée de parallaxe en fonction de la focale peuvent être augmentées, et on peut aussi relâcher les caractéristiques de mise au point .
La possibilité de compenser les variations de la parallaxe constitue un avantage important pour des appareils vidéos, amateurs ou professionnels (ou d' autres appareils de prises de vue d' images animées) car, dans ces applications, il est important de garder une parallaxe quasi constante lorsque la focale ou la mise au point varie de sorte que l'œil ne détecte pas de déplacement parasite de 1' image . Avec l' invention, contrairement aux optiques habituelles, on permet une variation de parallaxe qui est compensée par les moyens numériques de traitement .
Par ailleurs, on sait qu' un objectif de type zoom permet d' obtenir des distances focales variables tout en conservant, pour diverses focales, la même mise au point . Un objectif de type zoom est donc relativement onéreux puisqu' il doit respecter cette contrainte de garder la mise au point avec les diverses valeurs de distances focales . L' invention, en permettant de relâcher les caractéristiques de mise au point, permet de réaliser un zoom moins onéreux avec les mêmes performances, les caractéristiques de mise au point étant compensées par les moyens numériques de traitement d' images . En d' autres termes, on peut réaliser un zoom, à un coût qui peut se rapprocher de celui d' un objectif dit « vari-focale », c' est-à-dire d' un objectif dans lequel on n' est pas soumis à l' obligation de maintenir la mise au point quand la distance focale varie .
Selon une réalisation, on détermine les dimensions de l' appareil en fonction des capacités des moyens numériques de traitement d' images . On peut notamment minimiser les dimensions de l' appareil .
En particulier, le capteur peut être de dimensions réduites . On peut diminuer la taille de pixels, dans la limite des capacités des moyens numériques de traitement d' images à corriger les défauts résultant d' une taille des pixels plus faible et notamment l' augmentation du bruit qui en résulte . De même, on peut diminuer la taille des pixels et augmenter l' ouverture de l' optique dans la limite des capacités des moyens numériques de traitement d' images à corriger les défauts résultant d' une augmentation de l' ouverture de l' optique et notamment l' augmentation du flou qui en résulte . De même, on peut minimiser l' encombrement du système optique en prévoyant un nombre de lentilles tel que cet encombrement soit inférieur à la focale, à la condition que les moyens numériques de traitement d' images soient prévus pour corriger les défauts résultant d' un nombre élevé d' éléments optiques . Les dimensions du système d' asservissement peuvent aussi être réduites, les moyens numériques de traitement d' images permettant, par exemple, de minimiser le déplacement des éléments optiques du système optique et donc la consommation en énergie, ce qui entraine une diminution du volume des batteries d' alimentation en énergie électrique, et aussi des moteurs d' asservissement .
Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' images sont au moins en partie inclus dans l' appareil de capture et/ou de restitution d' images .
Les moyens numériques de traitement d' images peuvent être aussi au moins en partie séparés de l' appareil de capture et/ou de restitution d' images comme c' est le cas, par exemple, comme expliqué ci-dessus, lorsque ces moyens numériques se trouvent dans un ordinateur.
Selon une réalisation, le choix des paramètres du système optique consiste à sélectionner le système optique parmi des systèmes optiques préexistants . On peut aussi choisir les paramètres du capteur ou générateur en sélectionnant le capteur ou générateur parmi des générateurs ou capteurs préexistants .
Par exemple, on peut choisir des systèmes optiques préexistants simples, notamment avec un nombre minimum de lentilles et donc peu onéreux, les moyens numériques de traitement compensant les défauts qu' entraîne la simplicité du système optique .
Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens pour agir sur le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images, et ces moyens sont tels qu' ils permettent de réaliser un appareil de capture et/ou de restitution d' images dépourvu de système d' asservissement permettant la mise au point .
En d' autres termes, il n' est pas nécessaire de déplacer ou déformer des éléments optiques pour obtenir la mise au point, si les moyens de correction de netteté permettent d' obtenir une image suffisamment nette sans moyen de mise au point .
Par exemple, si on part d' un appareil de capture d' images à focale fixe permettant d' obtenir des images nettes de 80 cm à l' infini, cet appareil étant dépourvu de système de mise au point automatique, et si l' on veut utiliser un capteur ayant un plus grand nombre de pixels tout en conservant les mêmes propriétés de netteté
(de 80 cm à l' infini) , sans faire appel à un système de mise au point automatique, on prévoira des moyens numériques de traitement d' images qui diminuent la taille de la tache de flou de manière à obtenir le résultat souhaité . A titre d' exemple encore, on peut réaliser, partant des moyens numériques de traitement d' images qui diminuent la taille de la tache de flou, un appareil de capture d' ouverture plus étendue, par exemple en passant de 2, 8 à 1, 4, tout en conservant la même profondeur de champ . Selon une réalisation : on définit un cahier des charges global de l' appareil, et on établit corrélativement, notamment de façon interactive, un cahier des charges du système optique et/ou un cahier des charges du capteur et/ou générateur d' images, et/ou un cahier des charges du système d' asservissement, et un cahier des charges des moyens numériques de traitement d' images en fonction du cahier des charges global, de sorte que l' on peut transférer les performances du cahier des charges du système optique, et/ou du cahier des charges du capteur et/ou générateur d' images, et/ou du cahier des charges du système d' asservissement vers le cahier des charges des moyens numériques de traitement d' images, et/ou de sorte que le procédé permette de réduire les coûts de production de l' appareil .
Par cahier des charges d' un appareil, ou de l' un de ses composants, ou des moyens numériques de traitement d' images, on entend l' ensemble des spécifications techniques que doit respecter cet appareil, ses composants ou les moyens numériques de traitement d' images .
Dans une réalisation, l' appareil de capture et/ou de restitution d' images comprend un système d' asservissement et on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur et/ou du générateur d' images et/ou du système d' asservissement à partir des capacités des moyens numériques de traitement d' images .
Dans une réalisation, le système optique est à focale variable, les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens de correction d' au moins l' une des caractéristiques comprises dans le groupe comprenant le flou, le vignetage, le bruit et la compensation de parallaxe, et on détermine ou choisit au moins un paramètre de ce système optique dans le groupe comprenant : le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, la couleur des matériaux du système optique, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, et les caractéristiques de mise au point .
Dans une réalisation : - les moyens numériques de traitement d' images comportent un moyen pour améliorer la qualité d' image en agissant sur au moins l' un des paramètres du groupe comprenant : le vignetage du capteur et/ou du générateur d' images, le manque de netteté du capteur et/ou du générateur d' images, le bruit, les phénomènes de moiré, et/ou le contraste,
- et/ou on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur et/ou générateur d' images dans le groupe comportant : la qualité des pixels, la superficie des pixels, le nombre de pixels, la matrice de microlentilles, les filtres anti-alias, la géométrie des pixels, la disposition des pixels,
- et/ou on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système d' asservissement relatif à au moins un élément du groupe comportant : la mesure de mise au point, la mesure d' exposition, la mesure de balance des blancs, la consigne de mise au point, la consigne d' ouverture, la consigne de temps de pose, la consigne de gain du capteur .
Dans une réalisation, on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur ou générateur d' images relatif aux dimensions du capteur ou générateur, les moyens numériques de traitement d' images comportant des moyens de réduction du bruit permettant de minimiser les dimensions du capteur ou générateur d' images .
Dans une réalisation pour laquelle l' appareil comprend un système d' asservissement, on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système optique, notamment la position du plan image fonction de la distance de mise au point et/ou de la focale, de telle sorte que la netteté des images soit homogène dans le champ de l' image, le système d' asservissement tenant compte de la position du plan image fonction de la distance de mise au point et/ou de la focale .
Dans une réalisation pour laquelle l' appareil comprend un système d' asservissement, au moins un paramètre de ce système d' asservissement, notamment les paramètres d' exposition, est déterminé ou sélectionné en tenant compte de la capacité de correction d' algorithmes de correction de bruit et/ou de contraste et/ou de flou de bougé faisant partie des moyens numériques de traitement d' images . Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens pour agir sur le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images, ces moyens étant tels qu' ils permettent de réaliser un appareil de capture et/ou de restitution d' images dépourvu de système d' asservissement de mise au point .
Dans une réalisation, on détermine les dimensions de l' appareil en fonction des capacités des moyens numériques de traitement d' images .
Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' images sont au moins en partie inclus dans l' appareil de capture et/ou de restitution d' images .
Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' images sont au moins en partie séparés de l' appareil de capture ou de restitution d' images . Dans une réalisation, on sélectionne le système optique parmi des systèmes optiques préexistants .
Dans une réalisation, on sélectionne le capteur ou générateur parmi des capteurs ou générateurs préexistants .
Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' image comportent un moyen pour améliorer la qualité d' image en agissant sur au moins l' un des paramètres du groupe comprenant : le vignetage du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' image, le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' image, le bruit, les phénomènes de moiré, et/ou le contraste . Dans une réalisation, on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système optique choisi dans le groupe comportant : le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, les caractéristiques d' ouverture, les mécanismes d' ouverture, la plage de focale possible, les caractéristiques de mise au point, les mécanismes de mise au point, les filtres anti- alias, comprenant, la profondeur de champ, les caractéristiques liant la focale et la mise au point, les distorsions géométriques, les aberrations chromatiques, le décentrement, le vignetage, les caractéristiques de netteté .
L' invention concerne aussi un appareil de capture et/ou de restitution d' images obtenu par le procédé de réalisation défini ci- dessus .
D' autres caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci- annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma d' un appareil obtenu par le procédé selon l' invention,
- la figure 2 est un diagramme montrant des étapes du procédé selon l' invention, - la figure 3 montre un mode de réglage conforme à
1' invention,
- la figure 4a et 4b forment un ensemble de diagrammes montrant des réglages utilisés dans le cadre de l' invention,
- les figures 5, 5a, et 5b illustrent une propriété d' un appareil de capture d' images selon l' invention et d' un appareil conventionnel,
- les figures 6a à 6d sont des diagrammes montrant les propriétés d' un système optique d' un appareil selon l' invention et d' un appareil classique, et - les figures 7a et 7b sont des schémas montrant un exemple de sélection de système optique pour un appareil selon l' invention.
La figure 1 est un schéma illustrant l' architecture d' un appareil de capture ou de restitution d' images . Un tel appareil, par exemple de capture d' images, comporte, d' une part, un système optique 22, notamment à un ou plusieurs éléments optiques telles que des lentilles, destiné à former une image sur un capteur 24.
Bien que les exemples concernent principalement un capteur 24 du type électronique, ce capteur peut être d'un autre type, par exemple une pellicule photographique dans le cas d' un appareil dit « argentique ».
Un tel appareil comporte aussi un système d' asservissement 26 agissant sur le système optique 22 et/ou sur le capteur 24 pour effectuer une mise au point afin que le plan image se trouve sur le capteur 24, et/ou pour que la quantité de lumière reçue sur le capteur soit optimale par réglage du temps de pose et/ou d' ouverture, et/ou pour que les couleurs obtenues soient correctes, en effectuant un asservissement de la balance des blancs . Enfin, l' appareil comprend des moyens numériques de traitement d' images 28.
En variante, ces moyens numériques de traitement d' images sont séparés de l' appareil 20. Il est également possible de prévoir une partie des moyens de traitement d' images dans l' appareil 20 et une partie en dehors de l' appareil 20.
Le traitement numérique de l' image est effectué après l' enregistrement d' images par le capteur 24.
Un appareil de restitution d' images présente une structure analogue à un appareil de capture d' images . A la place d' un capteur 24, on prévoit un générateur 24' d' images recevant des images de moyens 28' numériques de traitement d' images et fournissant les images à un système optique 22' , tel qu' un système optique de projection.
Dans ce qui suit, pour la clarté de l' exposé, on se référera uniquement aux appareils de capture d' images . L' invention consiste à partir des capacités des moyens 28, 28' de traitement numérique d' images pour déterminer ou sélectionner les paramètres du système optique 22 , 22 ' , et/ou du capteur ou générateur d' images 24 , 24' et/ou du système d' asservissement 26. On a présenté sur le diagramme de la figure 2 le niveau des performances que l' on peut atteindre avec chacun des composants de l' appareil lorsqu' ils sont associés à des moyens numériques de traitement d' images . Ces niveaux sont représentés par le trait interrompu 30 pour le système optique, le trait interrompu 32 pour le capteur, le trait 34 pour l' asservissement, et le trait interrompu 36 pour l' appareil .
Partant de ces niveaux de performances que l' on peut obtenir avec les moyens numériques de traitement d' images, on peut choisir des niveaux de performance de chacun des composants de l' appareil qui soient, avant traitement, sensiblement inférieurs aux niveaux des performances obtenues après application des moyens de traitement . On voit ainsi que le niveau des performances du système optique peut être établi au niveau 30' , les niveaux des performances du capteur et du système d' asservissement peuvent être établis aux niveaux, respectivement 32' et 34 ' .
Dans ces conditions, en l' absence de traitement numérique, le niveau des performances de l' appareil serait au niveau le plus bas, par exemple le niveau 36' correspondant au niveau le plus bas 30' pour le système optique . Les moyens numériques de traitement d' images sont de préférence ceux décrits dans les documents suivants :
- Demande de brevet EP 02751241.7 ayant pour titre : « Procédé et système pour produire des informations formatées liées aux défauts des appareils d' une chaîne d' appareils et informations formatées destinées à des moyens de traitement d' images » .
- Demande de brevet EP 02743349.9 pour : « Procédé et système pour modifier les qualités d' au moins une image provenant ou destinée à une chaîne d' appareils ». - Demande de brevet EP 02747504.5 pour : « Procédé et système pour réduire la fréquence des mises à jour de moyens de traitement d' images ».
- Demande de brevet EP 02748934.3 pour : « Procédé et système pour corriger les aberrations chromatiques d' une image couleur réalisée au moyen d'un système optique ».
- Demande de brevet EP 02743348.1 pour : "Procédé et système pour produire des informations formatées liées aux distorsions géométriques ». - Demande de brevet EP 02748933.5 pour : "Procédé et système pour fournir, selon un format standard, des informations formatées à des moyens de traitement d' images" .
- Demande de brevet EP 02747503.7 pour : « Procédé et système pour calculer une image transformée à partir d'une image numérique et d' informations formatées relatives à une transformation géométrique ».
- Demande de brevet EP 02747506.0 pour : « Procédé et système pour produire des informations formatées liées aux défauts d' au moins un appareil d' une chaîne, notamment au flou ». - Demande de brevet EP 02745485.9 pour : « Procédé et système pour modifier une image numérique en prenant en compte son bruit ».
- Demande de brevet PCT/FR 2004/050455 pour : « Procédé et système pour modifier une image numérique de manière différenciée et quasi régulière par pixel ».
Ces moyens numériques de traitement d' images permettent d' améliorer la qualité des images en agissant sur au moins l' un des paramètres suivants :
- Les distorsions géométriques du système optique . On rappelle qu'un système optique peut distordre les images de façon telle qu' un rectangle peut être déformé en coussin, avec une forme convexe de chacun des côtés ou en barillet avec une forme concave de chacun des côtés .
- Les aberrations chromatiques du système optique : si un point objet est représenté par trois taches colorées ayant des positions précises les unes par rapport aux autres, l' aberration chromatique se traduit par une variation de position de ces taches les unes par rapport aux autres, les aberrations étant, en général, d' autant plus importantes qu' on s' éloigne du centre de l' image . - La parallaxe : quand on effectue un réglage par déformation ou déplacement d' un élément optique du système optique, l' image obtenue sur le plan image peut se déplacer. Le réglage est, par exemple, un réglage de la focale, ou un réglage de mise au point . Ce défaut est illustré par la figure 3 sur laquelle on a représenté un système optique 40 à trois lentilles dans lequel le centre de l' image a la position 42 quand la lentille 44 a la position représentée en trait plein. Lorsque la lentille 44 se déplace pour prendre la position 44 ' , représentée en traits interrompus, le centre de l' image prend la position 42' .
Profondeur de champ : quand le système optique est mis au point sur un plan objet déterminé, les images de ce plan restent nettes ainsi que les images des objets proches de ce plan. On appelle « profondeur de champ » la distance entre le plan objet le plus proche et le plan objet le plus éloigné pour lesquels les images restent nettes .
- Le vignetage : en général, la luminosité de l' image est maximale au centre et diminue au fur et à mesure qu' on s' éloigne du centre . Le vignetage se mesure par l' écart, en pour cent, entre la luminosité en un point et la luminosité maximale .
- Le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images se mesure par exemple par le paramètre BXU tel que défini ci-dessus .
- Le bruit de l' image est en général défini par son écart type, sa forme, et la dimension de la tache de bruit et sa coloration.
- Le phénomène de moiré est une déformation de l' image qui se produit lorsqu' il existe des hautes fréquences spatiales . Le moiré se corrige par le paramétrage des filtres anti-alias . - Le contraste est le rapport entre les plus hautes et les plus basses valeurs de luminosité de l' image pour lesquelles des détails de l' image sont encore visibles .
Comme représenté sur les figures 4a et 4b, on peut améliorer le contraste (figure 4a) d' une image, c' est-à-dire étendre
(figure 4b) la plage de luminosités sur laquelle on peut distinguer les détails . Cette extension s' effectue à l' aide notamment d' un algorithme de correction de contraste et de bruit .
On va maintenant décrire en relation avec la figure 5 une réalisation permettant d' uniformiser la netteté dans le champ de 1' image .
On rappelle tout d' abord que la surface image d' un plan objet ne constitue pas un plan parfait mais présente une courbure, dite courbure de champ. Cette courbure varie en fonction de divers paramètres dont la focale et la mise au point . Ainsi, la position du plan image 50 dépend de la zone sur laquelle est effectuée la mise au point . Dans l' exemple représenté sur la figure 5, le plan 50 correspond à une mise au point au centre 52 de l' image . Pour une mise au point sur une zone 54 proche du bord de l' image, le plan image 56 se trouve plus proche du système optique 22 que le plan image 50.
Pour simplifier le système d' asservissement pour la mise au point, on dispose le plan image en une position 58, intermédiaire entre les positions 54 (correspondant à une mise au point sur une zone proche du bord de l' image) , et 50 (correspondant à une mise au point sur une zone au centre de l' image) . La conjugaison des moyens numériques de traitement d' images 28 avec l' asservissement 26 de mise au point, permet de limiter le déplacement du plan 58 pour la mise au point, ce qui diminue la consommation en énergie du système d' asservissement et permet de réduire le volume de ses composants .
On a représenté sur le diagramme de la figure 5a les propriétés de flou avec un système classique d' asservissement de mise au point dans lequel la netteté maximum est obtenue au centre de l' image . Ainsi, sur ce diagramme de la figure 5a, on a porté en abscisses le champ de l' image et en ordonnées la valeur de flou exprimée en BXU. Avec ce système d' asservissement classique, le flou est, au centre, de 1, 3 et, au bord de l' image, de 6, 6.
La figure 5b est un diagramme analogue à celui de la figure
5a montrant les propriétés d' un asservissement d' un appareil réalisé selon l' invention, partant de l' hypothèse que les moyens numériques de traitement d' images permettent de corriger le flou jusqu' à une valeur de BXU égale à 4. La courbe représentée sur ce diagramme de la figure 5b présente ainsi, au centre de l' image, une valeur BXU =
2, 6 et la valeur de BXU diminue quand on s' éloigne du centre pour remonter ensuite jusqu' à une valeur de 4 vers le bord de l' image . On rappelle que cette valeur est la limite pour que le flou soit corrigeable par les moyens numériques de traitement . Ainsi on peut obtenir une image nette sur la totalité du champ de l' image alors qu' il n' en est pas ainsi avec un appareil doté d' un système classique .
Dans une réalisation, les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens d' amélioration de la netteté tels qu' ils permettent de se passer d' un asservissement de mise au point .
A titre d' exemple comparatif, les diagrammes des figures 6a, 6b, 6c, et 6d montrent les caractéristiques d' un appareil obtenu selon la technique classique et celles d' un appareil obtenu avec le procédé selon l' invention.
L' appareil classique est un appareil de photographie numérique intégré à un téléphone mobile ayant un capteur VGA, c' est- à-dire une résolution 640 x 480 sans système de mise au point .
L' appareil classique a une ouverture de 2, 8 alors que l' appareil obtenu avec le procédé selon l' invention a une ouverture de 1, 4.
La figure 6a, qui correspond à l' appareil classique, est un diagramme sur lequel on a représenté en abscisses le pourcentage de champ de l' image, l' origine correspondant au centre de l' image .
L' ordonnée représente le vignetage V. La figure 6b est un diagramme analogue pour un appareil obtenu selon l' invention.
Dans le schéma de la figure 6a (appareil classique) le vignetage atteint la valeur 0, 7 au bord de l' image tandis que dans le diagramme de la figure 6b on voit que le système optique de l' appareil selon l' invention, présente un vignetage sensiblement plus important, de l' ordre de 0, 3. La limite de correction de l' algorithme utilisé est de 0, 25. En d' autres termes, grâce à l' algorithme de correction on peut faire appel à une optique de vignetage sensiblement plus important .
La figure 6c est un diagramme représentant en ordonnées le flou, exprimé en BXU, en fonction du champ de l' image (en abscisses) pour un appareil classique. Dans cet appareil classique, la caractéristique de flou est de 1, 5 au centre et de 4 au bord de 1' image.
Le diagramme de la figure 6d représente aussi le flou pour l' optique de l' appareil obtenu avec le procédé selon l' invention. En abscisses de ce diagramme de la figure 6d, on a aussi représenté le champ de l' image et en ordonnées le flou exprimé en BXU. On voit que sur ce diagramme de la figure 6d, le flou au centre de l' image est de l' ordre de 2, 2. Il est donc supérieur au flou du diagramme de la figure 6c . Par contre, sur les bords, on a choisi un flou de l' ordre de 3, compte tenu de la limite de l' algorithme de correction. Autrement dit, de façon surprenante, on a choisi une optique dégradée en ce qui concerne la netteté au centre, alors qu' on obtient les mêmes résultats qu' avec l' appareil classique, avec, en plus, une ouverture supérieure. Il est aussi à noter que sur les bords, l' optique de l' appareil selon l' invention représente une qualité analogue à celle de l' optique classique, ce résultat pouvant être obtenu en raison de la dégradation du vignetage par rapport à l' optique classique.
Sur les diagrammes des figures 7a et 7b, on a représenté des caractéristiques de systèmes optiques différents entre lesquels le choix doit être effectué afin de réaliser un appareil de capture en utilisant le procédé selon l' invention.
Dans l' exemple représenté sur la figure 7a, le système optique fournit une tache image 100 de faibles dimensions . Ce système présente une fonction de transfert de modulation (FTM) représentée par un diagramme où les fréquences spatiales sont en abscisses . La valeur de la fréquence de coupure est fc . La fonction FTM comporte un palier 110 au voisinage des fréquences nulles et une partie décroissant rapidement vers la valeur fc .
L' optique représentée par le schéma de la figure 7b, présente une tache image 114 de dimensions sensiblement supérieures à la tache image 100 et sa FTM présente la même fréquence de coupure fc que dans le cas de la figure 7a. Par contre, la variation de cette FTM en fonction de la fréquence spatiale est différente : cette fréquence diminue de façon relativement régulière à partir de l' origine vers la fréquence de coupure .
Pour le choix du système optique, on se base sur le fait que l' algorithme de correction de la fonction de transfert de modulation, est efficace à partir d' une valeur de 0, 3. Dans ces conditions, on voit qu' avec l' optique de la figure 7b, on obtient une correction permettant de rehausser la FTM jusqu' à une valeur f2, par exemple, de l' ordre de 0, 8 fc alors qu' avec l' optique de la figure 7a, la correction n' est possible que jusqu' à une fréquence fi de l' ordre de 0, 5 fc .
Autrement dit, avec un algorithme de correction, l' optique représentée sur la figure 7b fournira plus de détails que l' optique représentée sur la figure 7a, et cela malgré le fait que la tache image soit de plus grandes dimensions que dans le cas de la figure 7a. On choisira donc l' optique correspondant à la figure 7b .

Claims

REVENDIC-VTIONS
1. Procédé de réalisation d'un appareil de capture et/ou de restitution d' images qui comprend un système optique (22, 22' ) de capture et/ou de restitution d' images, un capteur (24) et/ou un générateur (24' ) d' images, l' image étant traitée, en vue de son amélioration, par des moyens numériques (28, 28' ) de traitement d' images, le procédé étant tel que les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens de correction propres à corriger au moins l' une des caractéristiques comprises dans le groupe comportant le flou, le flou variable en fonction de la position dans le champ de l' image, la profondeur de champ, la profondeur de champ variable en fonction de la position dans le champ d' image, et le vignetage, et le procédé étant tel qu' on optimise l' ouverture du système optique, notamment à focale fixe, pour tenir compte des moyens de correction.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les moyens numériques de traitement d' images comportent en outre des moyens de correction de distorsion.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l' appareil de capture et/ou de restitution d' images comprend en outre un système d' asservissement (26) et on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur et/ou du générateur d' images et/ou du système d' asservissement à partir des capacités des moyens numériques de traitement d' images .
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le système optique est à focale variable, les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens de correction d' au moins l'une des caractéristiques comprises dans le groupe comprenant le flou, le vignetage, le bruit et la compensation de parallaxe, et on détermine ou choisit au moins un paramètre de ce système optique dans le groupe comprenant: le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, la couleur des matériaux du système optique, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, et les caractéristiques de mise au point .
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on ajuste le niveau des performances (30' , 32' , 34' ) du système optique, et/ou du capteur ou générateur, et/ou d'un système d' asservissement, notamment les niveaux moyens des performances, au niveau des performances (30, 32, 34) des moyens numériques de traitement d' images .
6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel :
- les moyens numériques de traitement d' images comportent un moyen pour améliorer la qualité d' image en agissant sur au moins l' un des paramètres du groupe comprenant : le vignetage du capteur et/ou du générateur d' images, le manque de netteté du capteur et/ou du générateur d' images, le bruit, les phénomènes de moiré, et/ou le contraste, - et/ou on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur et/ou générateur d' images dans le groupe comportant : la qualité des pixels, la superficie des pixels, le nombre de pixels, la matrice de microlentilles, les filtres anti-alias, la géométrie des pixels, la disposition des pixels, - et/ou on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système d' asservissement relatif à au moins un élément du groupe comportant : la mesure de mise au point, la mesure d' exposition, la mesure de balance des blancs, la consigne de mise au point, la consigne d' ouverture, la consigne de temps de pose, la consigne de gain du capteur.
7. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du capteur ou générateur d' images relatif aux dimensions du capteur ou générateur, les moyens numériques de traitement d' images comportant des moyens de réduction du bruit permettant de minimiser les dimensions du capteur ou générateur d' images .
8. Procédé selon l' une des revendications précédentes, dans lequel l' appareil comprend un système d' asservissement, et on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système optique, notamment la position du plan image fonction de la distance de mise au point et/ou de la focale, de telle sorte que la netteté des images soit homogène dans le champ de l' image, le système d' asservissement tenant compte de la position du plan image fonction de la distance de mise au point et/ou de la focale .
9. Procédé selon l' une des revendications précédentes, dans lequel l' appareil comprend un système d' asservissement, et au moins un paramètre de ce système d' asservissement, notamment les paramètres dΛexposition, sont déterminés ou sélectionnés en tenant compte de la capacité de correction d' algorithmes de correction de bruit et/ou de contraste et/ou de flou de bougé faisant partie des moyens numériques de traitement d' images .
10. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel les moyens numériques de traitement d' images comportent des moyens pour agir sur le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' images, ces moyens étant tels qu' ils permettent de réaliser un appareil de capture et/ou de restitution d' images dépourvu de système d' asservissement de mise au point .
11. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel on détermine les dimensions de l' appareil en fonction des capacités des moyens numériques de traitement d' images .
12. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel les moyens numériques de traitement d' images sont au moins en partie inclus dans l' appareil de capture et/ou de restitution d' images .
13. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel les moyens numériques de traitement d' images sont au moins en partie séparés de l' appareil de capture ou de restitution d' images .
14. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel on sélectionne le système optique parmi des systèmes optiques préexistants .
15. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel on sélectionne le capteur ou générateur parmi des capteurs ou générateurs préexistants .
16. Procédé selon l' une des revendications précédentes comprenant :
- l' étape de définir un cahier des charges global de l' appareil, et l' étape d' établir corrélativement, notamment de façon itérative, un cahier des charges du système optique et/ou un cahier des charges du capteur et/ou générateur d' images et/ou un cahier des charges du système d' asservissement, et un cahier des charges des moyens numériques de traitement d' images en fonction du cahier des charges global, de sorte que l' on peut transférer les performances du cahier des charges du système optique, et/ou du cahier des charges du capteur et/ou générateur d' images, et/ou du cahier des charges du système d' asservissement, vers le cahier des charges des moyens numériques de traitement d' images, et/ou de sorte que le procédé permette de réduire les coûts de production de l' appareil .
17. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel les moyens numériques de traitement d' image comportent un moyen pour améliorer la qualité d' image en agissant sur au moins l' un des paramètres du groupe comprenant : le vignetage du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' image, le manque de netteté du système optique et/ou du capteur et/ou du générateur d' image, le bruit, les phénomènes de moiré, et/ou le contraste .
18. Procédé selon l' une des revendications précédentes dans lequel on détermine ou sélectionne au moins un paramètre du système optique choisi dans le groupe comportant : le nombre d' éléments optiques du système, la nature des matériaux composant les éléments optiques du système optique, le coût des matériaux du système optique, le traitement des surfaces optiques, les tolérances d' assemblage, la valeur de la parallaxe en fonction de la focale, les caractéristiques d' ouverture, les mécanismes d' ouverture, la plage de focale possible, les caractéristiques de mise au point, les mécanismes de mise au point, les filtres anti-alias, comprenant, la profondeur de champ, les caractéristiques liant la focale et la mise au point, les distorsions géométriques, les aberrations chromatiques, le décentrement, le vignetage, les caractéristiques de netteté .
19. Appareil de capture et/ou de restitution d' images obtenu par le procédé de réalisation selon l' une des revendications précédentes .
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