WO2015128246A1 - Procédé et dispositif d'acquisition numérique de signal d'image, permettant une réduction de bruit électronique - Google Patents

Procédé et dispositif d'acquisition numérique de signal d'image, permettant une réduction de bruit électronique Download PDF

Info

Publication number
WO2015128246A1
WO2015128246A1 PCT/EP2015/053551 EP2015053551W WO2015128246A1 WO 2015128246 A1 WO2015128246 A1 WO 2015128246A1 EP 2015053551 W EP2015053551 W EP 2015053551W WO 2015128246 A1 WO2015128246 A1 WO 2015128246A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
digital
signal
analog signal
pixel
noise
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/053551
Other languages
English (en)
Inventor
David DARSON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Normale Superieure de Paris
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Normale Superieure de Paris
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Normale Superieure de Paris filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of WO2015128246A1 publication Critical patent/WO2015128246A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/08—Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of noise
    • 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
    • H04N25/616—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise involving a correlated sampling function, e.g. correlated double sampling [CDS] or triple sampling
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters

Definitions

  • the field of the invention is that of digital imaging, and in particular, but not exclusively, digital image acquisition by means, for example, of cameras or cameras, whether scientists, professionals or the general public. More specifically, the invention relates to the reduction of noise affecting the useful signal during such digital acquisitions.
  • Digital image acquisition systems conventionally comprise a photographic sensor, of the Charge-Coupled Device (CCD) or CMOS (for the English “Complementary Metal Oxide Semiconductor”) type, or else one of these two technologies integrated in a SOC (for the English “System On Chip”).
  • CCD Charge-Coupled Device
  • CMOS complementary Metal Oxide Semiconductor
  • SOC System On Chip
  • Such a sensor is a photosensitive electronic component that converts electromagnetic radiation (in the ultraviolet, visible or infrared range) into an analog electrical signal. This signal is then amplified, then digitized by an analog-digital converter (ADC or English ADC for "Analog to Digital Converter”) and finally processed (including filtering) to obtain a digital image.
  • ADC analog-digital converter
  • ADC English ADC for "Analog to Digital Converter”
  • the quality of such a digital acquisition system is notably characterized by the evaluation of the signal-to-noise ratio, or SN (for the English “Signal-to-Noise Ratio").
  • This ratio represents the ratio of the light signal measured by the sensor to a total noise, comprising on the one hand natural variations of the incident photon flux on the sensor, or photonic noise, and on the other hand unwanted signal components, taking birth in the electronic processing chain, or electronic noise.
  • Photonic noise which corresponds to statistical variations in the rate of incidence of photons on the sensor, follows a Poisson statistical law. It can therefore be estimated as equal to the square root of the average value of the light signal.
  • the electronic noise corresponds to the combination of the noise components generated by the different stages of the electronic system, during the conversion of the different charges measured by the sensor into an analog voltage signal, then during its subsequent processing and especially of its amplification, and finally during its conversion into a digital signal.
  • Such an electronic noise also called read noise, or acquisition noise, is added uniformly to each of the pixels of the image and can be considered independent of the value of the incident light signal.
  • the photonic noise or signal noise
  • the electronic noise generated by the acquisition system contributes little to the uncertainty on the measured signal.
  • the photonic noise may be negligible in the face of the electronic noise, which becomes the main source of noise affecting the signal.
  • the known acquisition systems use a set of analog and / or digital filters, inserted into the signal processing chain.
  • the parameters of these filters are fixed, at least during an acquisition burst, that is to say typically at least for the entirety of an image in the case of an acquisition system of imager type. More precisely, the parameters of these filters are chosen, for one or more images, by making a compromise between the level of electronic noise affecting the useful signal and the acquisition speed of the latter.
  • some acquisition systems favor a high signal acquisition speed, to the detriment of an equally high level of electronic noise, which can be disadvantageous in the case of weak signals.
  • some acquisition systems, and particularly precision scientific devices favor signal filtering, and therefore the associated processing time, to minimize the electronic noise affecting the measured signal. This filtering then impacts the speed of signal acquisition, even when the intensity of the measured signal is high and the electronic noise is nevertheless negligible in light of photonic noise.
  • Another known technique relies on the implementation of post-acquisition software treatments, which are applied to an entire image, and are intended to reduce the effect of noise on the captured image.
  • processing is implemented only after acquisition of the image, and therefore do not improve the intrinsic signal-to-noise ratio of the image.
  • CSD Correlated Double Sampling
  • the optical signal that hits a pixel of the CCD sensor is measured by calculating a difference between a representative sample of a reference plateau, or reset stage, corresponding to a precharging level of a the output stage of the CCD, and a sample representative of a final level of the signal.
  • the reset noise has a strong correlation on the reference bearing and on the final bearing, so that such a subtraction makes it possible to eliminate this noise of the light signal.
  • the invention meets these needs by proposing a digital acquisition device of a signal representative of an image comprising a plurality of pixels, comprising an analog signal sensor, and an analog digital converter delivering a digital sample of the analog signal.
  • such a device comprises:
  • Such a device is in particular designed using discrete components or in SOC (for "System on Chip”).
  • the invention is based on an entirely new and inventive approach to the reduction of the electronic noise affecting the signals obtained by means of digital acquisition devices.
  • existing digital acquisition devices use filters whose parameters are fixed, at least during a digital acquisition burst, and chosen according to a mean compromise between the speed of acquisition of the signal and the resulting noise affecting the output of the device
  • the device of the invention is based on the implementation of an adaptive filtering, which achieves, on all portions of the signal, the optimum compromise between the acquisition speed and the resulting noise.
  • the digital acquisition device of the invention advantageously exploits the property of certain analog signals, such as light signals, according to which the value of the noise associated with the signal is directly related to the value of the signal itself.
  • the device of the invention therefore evaluates, on the basis of a first digital sample of the analog signal, the value of the signal, and therefore of the noise associated with it.
  • the oversampling to be applied to the analog signal is determined so that the filtering means deliver a digital sample. an analog signal having an electronic noise below the predetermined threshold.
  • the estimation of the value of the analog signal can be carried out as often as desired, in order to constantly adapt the oversampling to be performed, as a function of the value of the signal.
  • the signal intensity is high, one can choose not to oversample, or oversample the signal slightly, which allows to maintain a high signal acquisition rate.
  • the signal intensity is lower, and the electronic noise introduces a high uncertainty on the signal, we can choose to oversample the signal, to improve the signal-to-noise ratio of the device, at the expense of speed signal acquisition.
  • the adaptation can thus be done continuously, as and when the acquisition of the signal by the device of the invention.
  • the oversampling to be applied on the pixel is determined to sufficiently reduce the influence of the electronic noise on this pixel at the output of the filtering means. This is done for each pixel of the image, or, alternatively, for the first pixel of each line of the image. In this way, for the pixels having a high luminous intensity, little or oversampling is applied, which makes it possible to maintain a high acquisition rate of the signal. Conversely, for those pixels that have been hit by a signal of low light intensity, oversampling and filtering more, to reduce the influence of electronic noise.
  • the digital acquisition device of the invention therefore makes it possible to adapt the processing at the pixel level, which is therefore much more precise and scalable than the techniques of the prior art, for which the filtering parameters were generally set for any a picture.
  • the predetermined threshold of electronic noise is a threshold of a ratio, at the output of the filtering means, of the electronic noise on a noise associated with said signal.
  • the filtering means comprise an averaging filter of the N digital samples of the analog signal.
  • Such an averaging filter, or low-pass filter thus averages the N signal samples delivered by the ADC converter, and delivers a single digital sample, in which the resulting electronic noise, if considered as a white noise , will be divided by VIV.
  • any other type of filtering may also be implemented in the digital acquisition device of the invention, in particular a filter adapted to the reduction of low frequency noise in 1 / f.
  • such an averaging filter can also implement weighted averaging techniques with weighting coefficients that are modulated according to the correlation rate of the samples between them during a CDS (for "Correlated Double Sampling") oversampled according to the technique described by JL Gach et al in "A New Digital CCD Technique for Ultra-Low-Noise CCDs", The Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 115, Issue 811, pp. 1068-1071.
  • the filtering means of the invention may consist of any low-pass digital filter, whether linear or not.
  • the oversampling means control a speed of said digital analog converter.
  • the conversion rate of the converter ADC is increased so that it delivers more samples of the analog signal (for example of a pixel), before a new signal analog (ie a new pixel) does not arrive at the input of the converter.
  • this particular embodiment requires the default converter to work at low speed in order to accelerate it if necessary. oversampling. The performance of the converter are then clamped, in normal operation.
  • the oversampling means controls an output frequency of said analog signal of said sensor.
  • these oversampling means drive the clocks that punctuate the output (s) of the pixels and their associated analog value.
  • the output clock of the sensor is slowed so that the ADC can provide N samples of the signal (for example of the pixel), before a new analog signal (ie a new pixel) does not arrive at the input of the converter.
  • the oversampling means can act simultaneously on the conversion speed of the ADC converter and on the output clock of the sensor.
  • said analog signal taking, during the reading of a pixel, a first value corresponding to a reference level, and at least a second value corresponding to a signal level, said estimation means and determining are enabled for a digital sample of said second value corresponding to a signal plateau.
  • the first available value is that of the so-called reference level, and then that of the reference level. said level of signal.
  • the first value, corresponding to the reference level therefore does not provide information on the value of the incident light signal and an early sampling at this time does not make it possible to determine whether or not (and how much, if any) the signal must be oversampled. . It is therefore necessary to estimate the value of the signal, and to determine the oversampling factor to be applied, on the value of the signal corresponding to the signal level.
  • said oversampling means are capable of oversampling said analog signal corresponding to said reference plateau by a factor N 'determined according to a variation of said analog signal on at least two preceding pixels of ranks p and lower.
  • the reference stage is also affected by the electronic noise of acquisition of the system during its reading. As indicated above, it is necessary to wait for the signal level to be able to evaluate the value of the incident light signal and its associated noise. This information, obtained for the signal level of a pixel of rank p + 1, can not therefore be used to oversample the reference plateau of this pixel of rank p + 1, and the electronic noise of its reading adds quadratically when subtracting from CDS.
  • the technique of the invention is to perform a modulation of the oversampling of the signal level of the pixel of rank p, which will have seen its level vary, and to consider the variation of the average signal between the pixel p-1 and the pixel p and apply this trend to the pixel p + 1 to also modulate the oversampling on the reference level of the pixel p + 1.
  • This is therefore a variation of the oversampling, which takes into account the signal variation on the preceding pixels to anticipate the necessary oversampling of the reference level of the pixel of rank p + 1, in the context of a reading by double sampling correlated CDS.
  • the invention also relates to a method for digitally acquiring a signal representative of an image comprising a plurality of pixels, comprising:
  • a digital analog conversion step delivering digital samples of the analog signal.
  • such a method comprises, for a pixel of the image:
  • N is an integer greater than or equal to 1;
  • N> 1 a step of oversampling of the analog signal of the factor N; if N> 1, a step of filtering N digital samples of the analog signal associated with the pixel.
  • the invention also relates to a computer program product comprising program code instructions for implementing the steps of the method described above when this program is executed by a processor.
  • processor is meant here and throughout this document any component and / or programmable system, and in particular, FPGA type components, DSP, micro-controller, etc.
  • the invention more generally relates to a digital acquisition method and a computer program having in combination all or some of the features set forth throughout this document, and in particular the characteristics described in connection with the digital acquisition device of the present invention. the invention described above.
  • FIG. 1 illustrates the operating diagram of a digital acquisition device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 presents in diagrammatic form the various steps implemented by the digital signal acquisition method of the invention.
  • the general principle of the invention is based on the implementation, in a digital acquisition system of a signal representative of an image, of an adaptive filtering, the parameters of which can be modified in real time, for adapt to the level of signal useful in order to respect a predetermined level of a ratio of the electronic noise affecting the signal after noise filtering associated with the signal.
  • the electronic noise inherent in the digital acquisition system can be substantially reduced, including up to a level at which it becomes negligible compared to the noise associated with the signal.
  • the principle of the invention applies to the field of digital image acquisition (imaging systems, scientific camera, camcorders, professional or amateur cameras, etc.).
  • a CCD detector is in the form of a silicon substrate, on which is inscribed a regular geometrical matrix of several thousand or millions of light-sensitive areas, called photosites, which capture and store image information, under the form of localized electrical charges, the value of which varies according to the incident light intensity.
  • the photosites formed on the silicon substrate convert the energy of the incident photons into electrical charges (electrons or holes according to the doping of the semiconductor), which results in the corresponding formation of pairs.
  • Electrical charges electro charges or holes according to the doping of the semiconductor
  • Electrode-holes in the crystal lattice of silicon.
  • an electron-hole pair is generated for each absorbed photon, and the resulting charge accumulated in each pixel is therefore proportional to the number of incident photons.
  • External voltages, applied to the electrodes associated with each pixel form potential wells in which the charges arising from the incident photons are stored for a time corresponding to the exposure time.
  • Image acquisition is organized around four main stages:
  • the voltage obtained at the output of the amplification stage then feeds an analog-digital converter (ADC), which converts it into digital sample.
  • ADC analog-digital converter
  • Each pixel is thus assigned a numerical value, corresponding to the amplitude of the incident light signal, which is stored. After filtering, and when all the pixels have been processed, the image can be displayed on a screen of the acquisition system.
  • Such a device comprises, in a conventional manner, a sensor of the CCD or CMOS type referenced 10, an analog processing chain referenced 11, notably carrying out the amplification of the signals, an ADC digital analog converter referenced 12, and a filter referenced 16, delivering for each pixel of the image an associated filtered digital sample.
  • a sensor of the CCD or CMOS type referenced 10 an analog processing chain referenced 11, notably carrying out the amplification of the signals
  • an ADC digital analog converter referenced 12 notably carrying out the amplification of the signals
  • a filter referenced 16 delivering for each pixel of the image an associated filtered digital sample.
  • SOC sensor all or part of the analog chain and the converter can be integrated within the same component as the detector. This is just an additional level of integration.
  • the digital samples, obtained at the output of the ADC converter 12, are assigned an electronic noise factor, generated along the analog processing chain referenced 11 and by the ADC converter 12 itself.
  • a light signal of average value S is also affected by an associated noise, also called photonic noise:
  • B tot ⁇ _ rms B ack _ rms 2 + B s _ rms 2 .
  • a first digital sample associated with a pixel of the sensor 10 is outputted from the ADC converter 12. This digital sample feeds a module referenced 13, which estimates, from this sample, the average value of the incoming light signal, corresponding to the average value S of the light signal, assigned its associated signal noise and the electronic noise, summed quadratically.
  • the referenced module 13 determines the PA AM parameters referenced 14 to be applied for the referenced filter 16. These Parameters PARAM 14 are transmitted to the filter 16. They also condition an oversampling factor N to be applied to the signal.
  • An oversampling module xN referenced 15 controls, on the one hand, the clocks of the analog processing chain 11 and the sensor 10, and, on the other hand, the speed of the ADC converter 12, to obtain the desired oversampling of the analog voltage associated with the pixel considered.
  • the upsampling module referenced 15 can act by increasing the speed of the ADC converter 12 (to the extent that the default speed of the converter is slow enough to be able to increase it on demand if necessary), to obtain more data. digital samples of the pixel at the output of the converter, before the analog voltage associated with the next pixel is supplied at the output of the analog channel 11.
  • the oversampling factor that can be obtained in this way is of course limited by the maximum speed of the ADC converter 12.
  • the increase in the speed of the ADC converter 12 can also cause an increase in the electronic noise generated by this component.
  • the oversampling module 15 can also act on the clocks of the sensor 10 and the analog processing chain 11, so as to sufficiently delay the provision of the analog voltage associated with the next pixel, for allow time for the ADC converter 12 to deliver N digital samples of the current pixel.
  • the converter can be maintained at a constant sampling speed, the variation of the number of samples N only being done on the modulation of the clocks that drive the detector 10.
  • the N digital samples delivered at the output of the ADC converter 12 for the current pixel are then filtered by the referenced filter 16, which, in the example of FIG. 1, is an averaging filter.
  • the white electronic noise affecting a digital sample representative of a pixel will be divided by Viv, if N digital samples are provided for this pixel, and the filter 16 then averages these N samples.
  • the threshold V th is set so that the acquisition acquisition noise after filtering is four times lower than the noise associated with the signal, then the portion of the filtered electronic noise is less than 3% of the total noise.
  • the module referenced 13 estimates the value of the incoming signal from the first sample delivered by the ADC converter 12 for each pixel of the sensor 10.
  • the value of this sample is proportional to the number of charges arising from the light signal collected in the pixel during the installation, plus the uncertainty related to the photonic noise and the noise related to the electronic noise of the acquisition system.
  • white noise the latter noise (electronic) is of zero average value.
  • the estimate of the average value of the light signal is reduced to the value of this single sample (affected by its uncertainties) which will make it possible to determine the oversampling necessary to reach the fixed threshold V th .
  • This system electronic noise (Bac q -rms) is a classic measurement performed for each imaging system during
  • B acq _ rms (equivalent to B acq fn tr ( , _ rms ) the mean, from the averaging filter with N samples, of the electronic noise of the acquisition chain.) If we want a noise threshold of acquisition at 3% (as in the previous example) of
  • N 64.
  • the value of N can take into account the evolution on the preceding pixels (for a detector with a serial transfer of the pixels) of the line, knowing that the first two pixels of the line will not be able to take full advantage of it. This way, we can also oversample the reference level and usefully reduce (depending on the threshold) its contribution to electronic noise by reading it. Since the CDS read noises are not correlated (those that are eliminated will be eliminated during the subtraction), they are added quadratically; being equal in amplitude, we therefore have a ratio 2 in the calculations of the preceding example.
  • the treatment of the invention is a treatment that could be described as intra-pixel (unlike, for example of the method known as "pixel binning", which consists of combining several pixels together to make a super pixel, which has the accumulated signal charge of the associated pixels and a read noise corresponding to only one pixel.
  • pixel binning which consists of combining several pixels together to make a super pixel, which has the accumulated signal charge of the associated pixels and a read noise corresponding to only one pixel.
  • the modification of the oversampling factor of the analog voltage associated with a pixel directly influences the overall speed of acquisition of the image.
  • the parameter of the number of samples to be processed per pixel as a function of the threshold value of the resulting electronic noise-to-noise ratio associated with the signal, it is ensured, at each instant, the optimum between the reading speed (ie signal acquisition) and the desired electronic reading noise level.
  • FIG. 2 illustrates in block diagram form the various steps of the digital signal acquisition method implemented in the device described above in relation to FIG. 1.
  • a first step ACQ referenced 20 an analog signal is acquired, representative for example of an image.
  • Such an acquisition step can be implemented by means of a CCD or CMOS sensor.
  • the acquired analog signal is the subject of a digital analog conversion.
  • the value of the incoming analog signal is estimated during an ESTIM step. S reference 22. Knowing this estimated value S, and a threshold value of electronic noise V th not to be exceeded, is determined during a step referenced 23 oversampling factor N of the analog signal obtained at the end of the acquisition stage 20.
  • the ADC conversion step 21 is then repeated N times, so as to obtain N digital samples of the signal, which are then the subject of a filtering step FILTER 24.
  • the invention described in this document makes it possible, in addition to ensuring at all times the optimum between signal-to-noise ratio and acquisition speed, a saving in means (usually in terms of components) of filtering and applied treatments. on the path of the signal during its acquisition. Indeed, thanks to the invention, the noise reduction can be taken into account only when necessary.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'acquisition numérique d'un signal représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, comprenant un capteur (10) de signal analogique, et un convertisseur analogique numérique (12) délivrant des échantillons numériques dudit signal analogique. Un tel dispositif comprend : - des moyens (13) d'estimation d'une valeur dudit signal analogique à partir d'un échantillon numérique d'un pixel de ladite image; - des moyens (14) de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage dudit signal analogique à partir de ladite valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1; - des moyens (15) de suréchantillonnage dudit signal analogique dudit facteur N activés si N>1; des moyens de filtrage (16) de N échantillons numériques dudit signal analogique délivrés par ledit convertisseur analogique numérique (12) pour ledit pixel activés si N>1.

Description

Procédé et dispositif d'acquisition numérique de signal d'image, permettant une réduction de bruit électronique.
1. Domaine de l'invention
Le domaine de l'invention est celui de l'imagerie numérique, et notamment, mais non exclusivement, de l'acquisition numérique d'images au moyen par exemple d'appareils photos ou de caméras, qu'il s'agisse d'appareils scientifiques, professionnels ou grand public. Plus précisément, l'invention concerne la réduction du bruit affectant le signal utile, lors de telles acquisitions numériques.
2. Art antérieur et ses inconvénients
Les systèmes d'acquisition numérique d'images comprennent classiquement un capteur photographique, de type CCD (pour l'anglais « Charge-Coupled Device ») ou CMOS (pour l'anglais « Complementary Métal Oxide Semiconductor »), ou encore l'une de ces deux technologies intégrée dans un SOC (pour l'anglais « System On Chip »).
Un tel capteur est un composant électronique photosensible, qui permet de convertir un rayonnement électromagnétique (dans le domaine ultra-violet, visible ou infrarouge), en un signal électrique analogique. Ce signal est ensuite amplifié, puis numérisé par un convertisseur analogique-numérique (CAN ou en anglais ADC pour « Analog to Digital Converter ») et enfin traité (notamment par filtrage), pour obtenir une image numérique.
La qualité d'un tel système d'acquisition numérique est notamment caractérisée par l'évaluation du rapport signal à bruit, ou SN (pour l'anglais « Signal-to-Noise Ratio »). Ce ratio représente le rapport du signal lumineux mesuré par le capteur sur un bruit total, comprenant d'une part des variations naturelles du flux de photon incident sur le capteur, ou bruit photonique, et d'autre part des composantes de signal indésirables, prenant naissance dans la chaîne de traitement électronique, ou bruit électronique.
Lorsque l'amplitude du bruit augmente, l'incertitude sur le signal mesuré augmente également. Il est donc particulièrement important d'obtenir un rapport signal à bruit élevé dans les systèmes d'acquisition numérique de haute qualité, et tout particulièrement dans les systèmes destinés à des applications scientifiques de précision.
Le bruit photonique, qui correspond à des variations statistiques dans le rythme d'incidence des photons sur le capteur, suit une loi statistique de Poisson. Il peut donc être estimé comme égal à la racine carrée de la valeur moyenne du signal lumineux.
Le bruit électronique, quant à lui, correspond à la combinaison des composantes de bruit générées par les différents étages du système électronique, lors de la conversion des différentes charges mesurées par le capteur en un signal de tension analogique, puis lors de son traitement ultérieur et notamment de son amplification, et enfin lors de sa conversion en un signal numérique. Un tel bruit électronique, également appelé bruit de lecture, ou bruit d'acquisition, s'ajoute de façon uniforme sur chacun des pixels de l'image et peut être considéré comme indépendant de la valeur du signal lumineux incident.
Lorsque l'intensité du signal lumineux mesuré par le capteur est élevée, le bruit photonique, ou bruit de signal, est également important, et le bruit électronique généré par le système d'acquisition contribue peu à l'incertitude sur le signal mesuré. En revanche, lorsque l'intensité du signal lumineux mesuré par le capteur est faible, le bruit photonique peut s'avérer négligeable devant le bruit électronique, qui devient la source principale de bruit affectant le signal.
Afin de réduire l'influence du bruit électronique, les systèmes d'acquisition connus utilisent un ensemble de filtres analogiques et/ou numériques, insérés dans la chaîne de traitement du signal. Les paramètres de ces filtres sont fixes, au moins pendant une salve d'acquisition, c'est-à-dire typiquement au moins pour l'intégralité d'une image dans le cas d'un système d'acquisition de type imageur. Plus précisément, les paramètres de ces filtres sont choisis, pour une ou plusieurs images, en réalisant un compromis entre le niveau de bruit électronique affectant le signal utile et la vitesse d'acquisition de ce dernier.
Ainsi, certains systèmes d'acquisition privilégient une vitesse d'acquisition élevée du signal, au détriment d'un niveau de bruit électronique également élevé, qui peut s'avérer pénalisant dans le cas des faibles signaux. A l'inverse, certains systèmes d'acquisition, et notamment les appareils scientifiques de précision, privilégient le filtrage du signal, et donc le temps de traitement associé, pour réduire au maximum le bruit électronique affectant le signal mesuré. Ce filtrage impacte alors la vitesse d'acquisition du signal et ce, même lorsque l'intensité du signal mesuré est élevée et que le bruit électronique est pourtant négligeable devant le bruit photonique.
Une autre technique connue repose sur la mise en œuvre de traitements logiciels post-acquisition, qui sont appliqués sur une image entière, et visent à réduire l'effet du bruit sur l'image capturée. Cependant, de tels traitements ne sont mis en œuvre qu'après acquisition de l'image, et ne permettent donc pas d'améliorer le rapport signal à bruit intrinsèque de l'image.
Enfin, certains systèmes d'acquisition numérique d'images à base de capteurs CCD, CMOS ou SOC, intègrent des méthodes de lectures permettant de réduire une partie du bruit de lecture. La première d'entre elles est le double échantillonnage corrélé ou CDS (pour l'anglais « Correlated Double Sampling »), qui permet de supprimer le bruit de préchargement de la diode de lecture, ou bruit de reset, et le bruit basse fréquence en 1/f du capteur CCD, qui sont les composantes de bruit prédominantes en faible flux lumineux.
Dans de tels systèmes, le signal optique ayant frappé un pixel du capteur CCD est mesuré par calcul d'une différence entre un échantillon représentatif d'un palier de référence, ou palier de reset, correspondant à un niveau de précharge d'une capacité de l'étage de sortie du CCD, et un échantillon représentatif d'un palier final du signal. Le bruit de reset présente une forte corrélation sur le palier de référence et sur le palier final, de sorte qu'une telle soustraction permet d'éliminer ce bruit du signal lumineux.
Si cette technique s'avère intéressante pour éliminer le bruit de reset, elle ne permet pas de s'affranchir de toutes les composantes de bruit électronique affectant le signal utile, en particulier toutes les composantes de bruit électronique qui ont des fréquences supérieures au temps caractéristique du CDS. Il existe donc un besoin d'une technique d'acquisition de signaux numériques permettant de mieux réduire le bruit électronique affectant les signaux utiles, dans le cadre d'acquisition d'images.
Plus précisément, il existe un besoin d'une telle technique qui permette d'atteindre le compromis optimal entre la vitesse d'acquisition du signal et le bruit électronique d'acquisition associé, en tout point du signal, et donc notamment en tout point de l'image.
Il existe également un besoin d'une telle technique qui permette de garantir que le bruit électronique soit toujours inférieur au bruit associé au signal utile, en tout point du signal, et donc notamment en tout point de l'image.
Il existe également un besoin d'une telle technique qui soit aisément intégrable dans les systèmes d'acquisition numériques existants.
Il existe encore un besoin d'une telle technique d'acquisition numérique d'images qui permette de réduire le bruit électronique affectant l'image sans altérer la photométrie de cette dernière.
3. Exposé de l'invention
L'invention répond à ces besoins en proposant un dispositif d'acquisition numérique d'un signal représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, comprenant un capteur de signal analogique, et un convertisseur analogique numérique délivrant un échantillon numérique du signal analogique.
Selon l'invention, un tel dispositif comprend :
des moyens d'estimation d'une valeur du signal analogique à partir d'un échantillon numérique d'un pixel de l'image ;
des moyens de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage du signal analogique à partir de la valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique ;
des moyens de suréchantillonnage du signal analogique du facteur N, activés si N>1 ;
des moyens de filtrage de N échantillons numériques du signal analogique délivrés par le convertisseur analogique numérique pour le pixel activés si N>1. Un tel dispositif est notamment conçu au moyen de composants discrets ou bien en SOC (pour « System on Chip »).
Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de la réduction du bruit électronique affectant les signaux obtenus au moyen de dispositifs d'acquisition numériques. En effet, alors que les dispositifs d'acquisition numériques existants utilisent des filtres dont les paramètres sont fixes, au moins durant une salve d'acquisition numérique, et choisis en fonction d'un compromis moyen entre la vitesse d'acquisition du signal et le bruit résultant l'affectant en sortie du dispositif, le dispositif de l'invention repose sur la mise en œuvre d'un filtrage adaptatif, qui permet d'atteindre, sur toutes les portions du signal, le compromis optimum entre la vitesse d'acquisition et le bruit résultant.
En effet, le dispositif d'acquisition numérique de l'invention exploite avantageusement la propriété de certains signaux analogiques, tels que les signaux lumineux, selon laquelle la valeur du bruit associé au signal est directement liée à la valeur du signal lui-même. Le dispositif de l'invention évalue donc, sur la base d'un premier échantillon numérique du signal analogique, la valeur du signal, et donc du bruit qui lui est associé. En fonction d'un seuil de bruit électronique affectant le signal que l'on veut atteindre en sortie des moyens de filtrage du dispositif de l'invention, on détermine le suréchantillonnage à appliquer au signal analogique pour que les moyens de filtrage délivrent un échantillon numérique du signal analogique présentant un bruit électronique inférieur au seuil prédéterminé.
L'estimation de la valeur du signal analogique peut être effectuée aussi souvent que souhaité, pour adapter en permanence le suréchantillonnage à effectuer, en fonction de la valeur du signal. Ainsi, lorsque l'intensité du signal est élevée, on peut choisir de ne pas suréchantillonner, ou de suréchantillonner faiblement le signal, ce qui permet de conserver une vitesse d'acquisition du signal importante. Inversement, lorsque l'intensité du signal est plus faible, et que le bruit électronique introduit donc une forte incertitude sur le signal, on peut choisir de suréchantillonner davantage le signal, pour améliorer le rapport signal à bruit du dispositif, au détriment de la vitesse d'acquisition du signal. L'adaptation peut ainsi se faire en continu, au fur et à mesure de l'acquisition du signal par le dispositif de l'invention.
Plus précisément, à partir d'un premier échantillon numérique d'un pixel, on détermine le suréchantillonnage à appliquer sur le pixel, pour réduire suffisamment l'influence du bruit électronique sur ce pixel en sortie des moyens de filtrage. On procède ainsi pour chaque pixel de l'image, ou, en variante, pour le premier pixel de chaque ligne de l'image. De cette façon, pour les pixels présentant une forte intensité lumineuse, on n'applique pas ou peu de suréchantillonnage, ce qui permet de maintenir une vitesse d'acquisition élevée du signal. Inversement, pour ceux des pixels qui ont été frappés par un signal de faible intensité lumineuse, on suréchantillonne et filtre davantage, pour réduire l'influence du bruit électronique.
Le dispositif d'acquisition numérique de l'invention permet donc une adaptation du traitement au niveau du pixel, ce qui est donc bien plus précis et modulable que les techniques de l'art antérieur, pour lesquelles les paramètres de filtrage étaient généralement fixés pour toute une image.
On notera que, dans le cas où il n'est pas nécessaire de procéder à un suréchantillonnage (cas où N=l), on procède à une simple numérisation du signal analogique, par le convertisseur analogique-numérique.
Selon un aspect particulier de l'invention, le seuil prédéterminé de bruit électronique est un seuil d'un rapport, en sortie des moyens de filtrage, du bruit électronique sur un bruit associé audit signal.
En effet, ce qui importe pour la qualité du signal obtenu en sortie du dispositif d'acquisition numérique de l'invention n'est pas tant la valeur absolue du bruit électronique affectant le signal, mais sa valeur relative par rapport au bruit associé au signal, à savoir au bruit photonique dans le cas d'un signal lumineux d'image. Dès lors que le bruit électronique est suffisamment faible par rapport au bruit associé au signal, son influence est négligeable. On choisit donc avantageusement de fixer le seuil de bruit électronique sous la forme d'un rapport bruit électronique sur bruit associé au signal.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de filtrage comprennent un filtre moyenneur des N échantillons numériques du signal analogique. Un tel filtre moyenneur, ou filtre passe-bas, opère donc une moyenne sur les N échantillons du signal délivrés par le convertisseur ADC, et délivre un unique échantillon numérique, dans lequel le bruit électronique résultant, s'il est considéré comme un bruit blanc, sera divisé par VÎV.
Tout autre type de filtrage peut également être mis en œuvre dans le dispositif d'acquisition numérique de l'invention, notamment un filtrage adapté à la réduction du bruit basse fréquence en 1/f.
Ainsi, un tel filtre moyenneur peut également mettre en œuvre des techniques de moyenneurs pondérés avec des coefficients de pondération qui sont modulés en fonction du taux de corrélation des échantillons entre eux lors d'un CDS (pour « Correlated Double Sampling ») sur-échantilloné, conformément à la technique décrite par J.L Gach & al dans « A New Digital CCD eadout Technique for Ultra-Low-Noise CCDs », The Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Volume 115, Issue 811, pp. 1068-1071.
En outre, en dehors de moyennes classiques sur les N échantillons du suréchantillonnage, on peut envisager tous les autres types de traitements linéaires ou non linéaires, dont un exemple simple et robuste est un filtre déterminant la médiane des N échantillons. Un tel filtre a pour particularité d'être moins influencé que le filtre moyenneur par les valeurs extrêmes et donc d'être plus robuste au bruit basses fréquences en 1/f.
Plus généralement, les moyens de filtrage de l'invention peuvent consister en tout filtre numérique passe-bas, qu'il soit linéaire ou non.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de suréchantillonnage pilotent une vitesse dudit convertisseur analogique numérique.
Ainsi, pour suréchantillonner le signal d'un facteur N, on augmente la vitesse de conversion du convertisseur ADC, pour que celui-ci délivre davantage d'échantillons du signal analogique (par exemple d'un pixel), avant qu'un nouveau signal analogique (i.e. un nouveau pixel) n'arrive en entrée du convertisseur.
On notera que ce mode de réalisation particulier nécessite de faire travailler par défaut le convertisseur à basse vitesse pour pouvoir l'accélérer en cas de besoin de suréchantillonnage. Les performances du convertisseur sont alors bridées, en fonctionnement normal.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de suréchantillonnage pilotent une fréquence de sortie dudit signal analogique dudit capteur. En d'autres termes, ces moyens de suréchantillonnage pilotent les horloges qui rythment la ou les sorties des pixels et de leur valeur analogique associée.
Ainsi, pour suréchantillonner le signal d'un facteur N, on ralentit l'horloge de sortie du capteur, afin que le convertisseur ADC puisse fournir N échantillons du signal (par exemple du pixel), avant qu'un nouveau signal analogique (i.e. un nouveau pixel) n'arrive en entrée du convertisseur.
Il est bien sûr également possible, en variante, que les moyens de suréchantillonnage agissent simultanément sur la vitesse de conversion du convertisseur ADC et sur l'horloge de sortie du capteur.
Selon un autre aspect de l'invention, ledit signal analogique prenant, pendant la lecture d'un pixel, une première valeur correspondant à un palier de référence, et au moins une deuxième valeur correspondant à un palier de signal, lesdits moyens d'estimation et de détermination sont activés pour un échantillon numérique de ladite deuxième valeur correspondant à un palier de signal.
En effet, dans le cadre d'un mode de lecture CDS à double échantillonnage corrélé (pour « Correlated Double Sampling »), pendant la lecture d'un pixel, la première valeur disponible est celle du palier dit de référence, et ensuite celle du palier dit de signal. La première valeur, correspondant au palier de référence, ne renseigne donc pas sur la valeur du signal lumineux incident et un échantillonnage précoce à ce moment ne permet pas de déterminer s'il faut ou non (et de combien le cas échéant) suréchantillonner le signal. Il convient donc d'estimer la valeur du signal, et de déterminer le facteur de suréchantillonnage à appliquer, sur la valeur du signal correspondant au palier de signal.
Selon encore un autre aspect de l'invention, pour un pixel de rang p+1, lesdits moyens de suréchantillonnage sont aptes à suréchantillonner ledit signal analogique correspondant audit palier de référence d'un facteur N' déterminé en fonction d'une variation dudit signal analogique sur au moins deux pixels précédents de rangs p et inférieur.
En effet, le palier de référence est lui aussi affecté du bruit électronique d'acquisition du système lors de sa lecture. Comme indiqué ci-dessus, il faut attendre le palier de signal pour pouvoir évaluer la valeur du signal lumineux incident et son bruit associé. Ces informations, obtenues pour le palier de signal d'un pixel de rang p+1, ne peuvent donc pas être utilisées pour procéder au suréchantillonnage du palier de référence de ce pixel de rang p+1, et le bruit électronique de sa lecture s'ajoute donc quadratiquement lors de la soustraction liée au CDS.
Pour pallier cette problématique, la technique de l'invention consiste à effectuer une modulation du suréchantillonnage du palier de signal du pixel de rang p, qui aura vu son niveau varier, et de considérer la variation du signal moyen entre le pixel p-1 et le pixel p et d'appliquer cette tendance au pixel p+1 pour moduler aussi le suréchantillonnage sur le palier de référence du pixel p+1. Il s'agit donc là d'une variation du suréchantillonnage, qui tient compte de la variation de signal sur les pixels précédents pour anticiper le suréchantillonnage nécessaire du palier de référence du pixel de rang p+1, dans le cadre d'une lecture par double échantillonnage corrélé CDS.
L'invention concerne également un procédé d'acquisition numérique d'un signal représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, comprenant :
- une étape d'acquisition d'un signal analogique ;
une étape de conversion analogique numérique délivrant des échantillons numériques du signal analogique.
Selon l'invention, un tel procédé comprend, pour un pixel de l'image :
une étape d'estimation d'une valeur du signal analogique à partir d'un échantillon numérique associé audit pixel ;
une étape de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage du signal analogique à partir de la valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique, où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1 ;
si N>1, une étape de suréchantillonnage du signal analogique du facteur N ; si N>1, une étape de filtrage de N échantillons numériques du signal analogique associés au pixel.
Ces étapes peuvent être mises en œuvre pour chaque pixel de l'image. En variante, on peut choisir de ne mettre en œuvre ces étapes que pour certains des pixels de l'image, par exemple pour le premier pixel de chaque ligne de l'image.
L'invention concerne également un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre des étapes du procédé décrit précédemment lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
Par processeur, on entend ici et dans l'ensemble de ce document tout composant et/ou système programmable, et notamment, les composants de type FPGA, DSP, micro-contrôleur, etc.
L'invention concerne plus généralement un procédé d'acquisition numérique et un programme d'ordinateur présentant en combinaison tout ou partie des caractéristiques exposées dans l'ensemble de ce document, et notamment les caractéristiques décrites en relation avec le dispositif d'acquisition numérique de l'invention décrit ci-avant.
4. Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles :
la figure 1 illustre le schéma de fonctionnement d'un dispositif d'acquisition numérique conforme à un mode de réalisation de l'invention;
la figure 2 présente sous forme d'organigramme schématique les différentes étapes mises en œuvre par le procédé d'acquisition numérique de signal de l'invention.
5. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Le principe général de l'invention repose sur la mise en œuvre, dans un système d'acquisition numérique d'un signal représentatif d'une image, d'un filtrage adaptatif, dont les paramètres peuvent être modifiés en temps réel, pour s'adapter au niveau du signal utile, afin de respecter un niveau prédéterminé d'un rapport du bruit électronique affectant le signal après filtrage au bruit associé au signal.
Dans le cas d'un système d'acquisition numérique d'image comprenant un détecteur CCD, CMOS ou SOC, un tel filtrage adaptatif permet, d'une part de garantir de toujours obtenir l'optimum entre la vitesse de lecture ou d'acquisition du signal et le bruit électronique associé, et d'autre part de faire en sorte que le bruit électronique soit toujours (i.e. quelle que soit la zone de l'image) en deçà du bruit associé au signal utile (i.e. le bruit photonique).
Ainsi, le bruit électronique inhérent au système d'acquisition numérique peut être sensiblement réduit, y compris jusqu'à un niveau auquel il devient négligeable par rapport au bruit associé au signal.
Le principe de l'invention s'applique au domaine de l'acquisition numérique d'images (systèmes d'imagerie, caméra scientifique, caméscopes, appareils photos professionnels ou amateurs, ...).
On présente désormais, en relation avec les figures, un exemple de réalisation de l'invention dans le cadre d'un système d'acquisition numérique d'image.
On rappelle tout d'abord brièvement le principe de fonctionnement d'un système d'acquisition numérique d'image mettant en œuvre un détecteur CCD. On notera bien sûr que l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de capteurs CCD, mais s'applique également, comme déjà indiqué, dans le cas de l'utilisation de capteurs CMOS ou SOC, et plus généralement, à tout type de système d'acquisition numérique de signal.
Un détecteur CCD se présente sous la forme d'un substrat de silicium, sur lequel est inscrite une matrice géométrique régulière de plusieurs milliers ou millions de zones sensibles à la lumière, appelées photosites, qui capturent et stockent des informations d'image, sous la forme de charges électriques localisées, dont la valeur varie en fonction de l'intensité lumineuse incidente.
Plus précisément, les photosites formés sur le substrat de silicium convertissent l'énergie des photons incidents en charges électriques (électrons ou trous selon le dopage du semiconducteur), ce qui entraîne la formation correspondante de paires « électrons-trous » dans le réseau cristallin de silicium. Au rendement quantique prêt ,une paire électron-trou est générée pour chaque photon absorbé, et la charge résultante accumulée dans chaque pixel est donc proportionnelle au nombre de photons incidents. Des tensions externes, appliquées sur les électrodes associées à chaque pixel, forment des puits de potentiel dans lesquels sont stockées les charges issues des photons incidents pendant un temps correspondant au temps d'exposition.
L'acquisition d'image s'articule donc autour de quatre étapes principales :
il y a tout d'abord génération de charges électriques (électrons et trous), par interaction des photons incidents avec les zones photosensibles du détecteur ;
les charges générées par la libération des électrons sont ensuite collectées et stockées dans les puits de potentiels associés à chaque pixel ;
par application, sur le réseau d'électrodes du détecteur CCD, de tensions appropriées (variation cyclique des tensions appliquées qui forment les puits de potentiel), associées à un système d'horloges, ces charges sont ensuite transférées, par combinaison adaptée de décalages en parallèle et en série. Plus précisément, les charges accumulées dans les pixels sont décalées parallèlement ligne par ligne vers un registre de transfert série qui permet de faire sortir en série chaque pixel de la ligne présente dans ce registre. L'opération est ré-itérée autant de fois que nécessaire pour faire sortir tous les pixels ; en sortie du registre de transfert série, les charges associées à chaque pixel sont ensuite transférées une à une vers une chaîne de traitement analogique, où elles sont tout d'abord converties en tension (proportionnelle au nombre de charges dans la capacité d'une diode « flottante ») puis amplifiées. La tension obtenue en sortie de l'étage d'amplification alimente ensuite un convertisseur analogique numérique (ADC), qui la convertit en échantillon numérique. Chaque pixel se voit donc assigner une valeur numérique, correspondant à l'amplitude du signal lumineux incident, qui est mémorisée. Après filtrage, et lorsque tous les pixels ont été traités, l'image peut être affichée sur un écran du système d'acquisition.
On présente désormais, en relation avec la figure 1, un mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition numérique selon l'invention. Un tel dispositif comprend, de façon classique, un capteur de type CCD ou CMOS référencé 10, une chaîne de traitement analogique référencée 11, réalisant notamment l'amplification des signaux, un convertisseur analogique numérique ADC référencé 12, et un filtre référencé 16, délivrant pour chaque pixel de l'image un échantillon numérique filtré associé. Dans le cas d'un capteur dit SOC, tout ou partie de la chaîne analogique et du convertisseur peut être intégrée au sein du même composant que le détecteur. Il s'agit là juste d'un niveau d'intégration supplémentaire.
Les échantillons numériques, obtenus en sortie du convertisseur ADC 12, sont affectés d'un facteur de bruit électronique, généré le long de la chaîne de traitement analogique référencée 11 et par le convertisseur ADC 12 lui-même.
On rappelle en outre qu'un signal lumineux de valeur moyenne S est également affecté d'un bruit associé, également appelé bruit photonique : Bs_rms = Λ/S, avec Bs_rms « 6 * Bs_pp , où rms est l'acronyme de « root mean square » et pp est l'acronyme de « peak to peak ».
Il en résulte que, si l'on note Bacq_rms le bruit électronique généré par le système d'acquisition, la valeur du bruit total affectant les échantillons numériques de signaux lumineux s'exprime sous la forme : Btot_rms = ^Bacq_rms 2 + Bs_rms 2. Dans l'exemple de la figure 1, un premier échantillon numérique associé à un pixel du capteur 10 est délivré en sortie du convertisseur ADC 12. Cet échantillon numérique alimente un module référencé 13, qui estime, à partir de cet échantillon, la valeur moyenne du signal lumineux entrant, correspondant à la valeur moyenne S du signal lumineux, affecté de son bruit de signal associé et du bruit électronique, sommés quadratiquement. A partir de cette valeur moyenne estimée, et d'une valeur seuil Vth de bruit électronique visée pour les échantillons numériques en sortie du filtre 16, le module référencé 13 détermine les paramètres PA AM référencés 14 à appliquer pour le filtre référencé 16. Ces paramètres PARAM 14 sont transmis au filtre 16. Ils conditionnent également un facteur de suréchantillonnage N à appliquer au signal.
En effet, à partir de la valeur moyenne estimée, il est possible de déterminer, en fonction de la valeur seuil Vth choisie, le suréchantillonnage approprié pour diminuer suffisamment, par filtrage 16, le bruit électronique, et ainsi passer sous les conditions de seuil.
Un module de suréchantillonnage xN référencé 15 pilote, d'une part, les horloges de la chaîne de traitement analogique 11 et du capteur 10, et d'autre part, la vitesse du convertisseur ADC 12, pour obtenir le suréchantillonnage souhaité de la tension analogique associé au pixel considéré.
Ainsi, le module de suréchantillonnage référencé 15 peut agir en augmentant la vitesse du convertisseur ADC 12 (dans la mesure où la vitesse par défaut du convertisseur est suffisamment lente pour pouvoir l'augmenter à la demande le cas échéant), pour obtenir davantage d'échantillons numériques du pixel en sortie du convertisseur, avant que la tension analogique associée au pixel suivant ne soit fournie en sortie de la chaîne analogique 11. Le facteur de suréchantillonnage que l'on peut obtenir de cette façon est bien sûr limité par la vitesse maximale du convertisseur ADC 12. En outre, l'augmentation de la vitesse du convertisseur ADC 12 peut également entraîner une augmentation du bruit électronique généré par ce composant.
A titre alternatif, ou en complément, le module de suréchantillonnage 15 peut également agir sur les horloges du capteur 10 et de la chaîne de traitement analogique 11, de façon à retarder suffisamment la mise à disposition de la tension analogique associée au pixel suivant, pour laisser le temps au convertisseur ADC 12 de délivrer N échantillons numériques du pixel courant. Dans ce cas de figure, le convertisseur peut être maintenu à vitesse d'échantillonnage constante, la variation du nombre d'échantillons N ne se faisant que sur la modulation des horloges qui pilotent le détecteur 10. Les N échantillons numériques délivrés en sortie du convertisseur ADC 12 pour le pixel courant sont alors filtrés par le filtre référencé 16, qui, dans l'exemple de la figure 1, est un filtre moyenneur.
En considérant le bruit électronique comme blanc, un tel filtrage adaptatif moyenneur permet de réduire efficacement le bruit électronique affectant le signal. En effet, si l'on considère un pixel qui est suréchantillonné quatre fois (i.e. le convertisseur ADC 12 délivre quatre échantillons numériques pour ce pixel au lieu d'un unique échantillon), et dont les quatre échantillons numériques sont moyennés par le filtre moyenneur 16, alors le bruit électronique (i.e. l'incertitude) affectant l'échantillon numérique délivré en sortie du filtre 16, correspondant au résultat de la moyenne des quatre échantillons, sera fois moindre que le bruit électronique (i.e. l'incertitude) affectant l'un des échantillons numériques obtenus en sortie du convertisseur ADC 12, i.e. avant la moyenne opérée par le filtre 16.
De même, pour un pixel suréchantillonné d'un facteur seize, le bruit électronique résultant en sortie du filtre moyenneur 16 sera divisé par VÏ6 = 4.
Plus généralement, le bruit électronique blanc affectant un échantillon numérique représentatif d'un pixel sera divisé par Viv, si l'on délivre N échantillons numériques pour ce pixel, et que le filtre 16 moyenne ensuite ces N échantillons.
Si l'on fixe le seuil Vth pour que le bruit électronique d'acquisition résultant après filtrage soit de deux fois inférieur au bruit associé au signal soit Bacqfutr _rms = Bs-rms^ a|ors |a pa rt ^u bruit électronique filtré dans le bruit total du système est d'environ 12 %.
En effet : Bfilt_rms
Figure imgf000017_0001
Si, en revanche, l'on fixe le seuil Vth pour que le bruit électronique d'acquisition après filtrage soit quatre fois inférieur au bruit associé au signal, alors la part du bruit électronique filtré est inférieure à 3% du bruit total.
En effet : BfiU_rms - ÎB cqfiltré_rms + Bj_rms - J^5™5) + B 'S, 2
-rms — 16 * S—r s « 1 03 * L £J?sc—r s
On notera que, dans un mode de réalisation de l'invention, le module référencé 13 estime la valeur du signal entrant à partir du premier échantillon délivré par le convertisseur ADC 12 pour chaque pixel du capteur 10.
La valeur de cet échantillon est proportionnelle au nombre de charges issues du signal lumineux collectées dans le pixel pendant la pose, augmentée de l'incertitude liée au bruit photonique et à celle liée au bruit électronique de la chaîne d'acquisition. Dans le cas de bruits blancs, ce dernier bruit (électronique) est à valeur moyenne nulle. En première approximation, on réduit l'estimation de la valeur moyenne du signal lumineux à la valeur de ce seul échantillon (affecté de ses incertitudes) qui permettra de déterminer le suréchantillonnage nécessaire pour atteindre le seuil Vth fixé. Par ailleurs il est nécessaire de connaître le bruit électronique d'acquisition dans le mode de lecture (CDS ou autres) non suréchantillonné du détecteur. Ce bruit électronique du système (Bacq-rms) est u ne mesure classique effectuée pour chaque système d'imagerie lors de
-N
sa conception. On note Bacq_rms (équivalent à B acqfntr(,_rms) la moyenne, issue du filtre moyenneur avec N échantillons, du bruit électronique de la chaîne d'acquisition. Si l'on veut un seuil de bruit d'acquisition à 3 % (comme dans l'exemple précédent) du
■N Βς
bruit total, on doit donc avoir Baca_rms = s rms . Or, on sait que pour un filtre
u D B acq-rms
moyenneur pur et en présence de bruit blanc : tlacq_rms =— ^=— ce qui permet déduire N : N = 16 * (Βα«>-™ = 16 * (Β«'"-™ = 16 # ( l acq-rms
Bs-rms > V S / \ S
Évidemment il convient de fixer une limite au rapport ac^_rmspour les valeurs basses de S : par exemple (toujours dans le cas du seuil à 3%) lorsque le signal est suffisamment faible pour que Bacq_rmsso\X 2 fois supérieur à 55_r?nsalors N=64. Enfin N ne peut être inférieur à 1 et peut prendre toutes les valeurs entières entre 1 et le nombre max Nmax défini par la limite max de— ^=— .
Dans le cadre d'une méthode CDS, et comme mentionné précédemment dans ce document, la valeur de N peut tenir compte de l'évolution sur les pixels précédents (pour un détecteur avec un transfert série des pixels) de la ligne, sachant que les deux premiers pixels de la ligne ne pourront en prendre pleinement parti. De cette façon, on peut suréchantillonner aussi le palier de référence et diminuer utilement (selon le seuil défini) sa contribution au bruit électronique par sa lecture. Les bruits de lecture résultant du CDS n'étant pas corrélés (ceux qui le sont seront éliminés lors de la soustraction), ils s'ajoutent quadratiquement ; étant égaux en amplitude, on a donc un rapport 2 dans les calculs de l'exemple précédent.
La valeur de N étant déterminée, on procède à un suréchantillonnage et à un filtrage correspondant, pixel par pixel, de sorte que le traitement de l'invention est un traitement que l'on pourrait qualifier d'intra-pixel (au contraire par exemple de la méthode connue sous le nom de « pixel binning », qui consiste à combiner plusieurs pixels entre eux pour en faire un super pixel, qui présente la charge de signal cumulée des pixels associés et un bruit de lecture correspondant seulement à un pixel. Selon cette technique de « pixel binning », on augmente donc d'autant le rapport SN , au détriment de la résolution et de la dynamique). Le filtrage adaptatif de l'invention permet avantageusement d'augmenter le SNR sans réduire la dynamique et sans réduire la résolution de l'image.
A titre de variante, on peut également envisager, non pas de travailler au niveau du pixel, mais d'un groupe de pixels, et de calculer un facteur de suréchantillonnage à appliquer pour l'ensemble des pixels de ce groupe.
On notera également qu'à vitesse du convertisseur ADC 12 constante, la modification du facteur de suréchantillonnage de la tension analogique associée à un pixel influence directement la vitesse globale d'acquisition de l'image. En modifiant en temps réel le paramètre du nombre d'échantillons à traiter par pixel en fonction de la valeur seuil du rapport bruit électronique résultant sur bruit associé au signal, on garantit, à chaque instant, l'optimum entre la vitesse de lecture (i.e. d'acquisition du signal) et le niveau de bruit électronique de lecture désiré.
La figure 2 illustre sous forme de schéma synoptique les différentes étapes du procédé d'acquisition numérique de signal mis en œuvre dans le dispositif décrit ci- avant en relation avec la figure 1. Au cours d'une première étape ACQ référencée 20, on acquière un signal analogique, représentatif par exemple d'une image. Une telle étape d'acquisition peut être mise en œuvre au moyen d'un capteur CCD ou CMOS.
Au cours d'une étape ADC référencée 21, le signal analogique acquis fait l'objet d'une conversion analogique numérique. A partir de l'échantillon numérique obtenu à l'issue de l'étape ADC 21, on estime la valeur du signal analogique entrant, au cours d'une étape ESTIM. S référencée 22. Connaissant cette valeur estimée S, et une valeur seuil de bruit électronique Vth à ne pas dépasser, on détermine au cours d'une étape référencée 23 un facteur de suréchantillonnage N du signal analogique obtenu à l'issue de l'étape d'acquisition 20.
L'étape de conversion ADC 21 est alors réitérée N fois, de façon à obtenir N échantillons numériques du signal, qui font ensuite l'objet d'une étape de filtrage FILTRE 24.
A l'issue de cette étape de filtrage 24, on obtient un échantillon numérique filtré du signal analogique d'entrée, dans lequel l'influence du bruit électronique a été réduite.
L'invention décrite dans le présent document permet, en plus d'assurer à tout moment l'optimum entre rapport signal sur bruit et vitesse d'acquisition, une économie sensible en moyens (le plus souvent en composants) de filtrage et en traitements appliqués sur le parcours du signal lors de son acquisition. En effet, grâce à l'invention, la réduction du bruit peut n'être prise en compte que quand cela est nécessaire.

Claims

REVEN DICATIONS
1. Dispositif d'acquisition numérique d'un signal représentatif d'une image com prenant une pluralité de pixels,
com prenant un capteur (10) de signal analogique, et un convertisseur analogique nu mérique (12) délivrant des échantillons numériques dudit signal analogiq ue,
caractérisé en ce qu'il comprend :
des moyens (13) d'estimation d'une valeur dudit signal analogique à partir d'un échantillon numérique d'un pixel de ladite image ;
des moyens (14) de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage dudit signal analogique à partir de ladite valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique où N est u n nom bre entier supérieur ou égal à 1 ;
des moyens (15) de suréchantillonnage dud it signal analogique dudit facteur N activés si N>1 ;
des moyens de filtrage (16) de N échantillons numériq ues d udit signal analogique délivrés par ledit convertisseur analogique numériq ue (12) pou r ledit pixel activés si N>1.
2. Dispositif d'acquisition numérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit seuil prédéterm iné de bruit électronique est u n seuil d'un rapport, en sortie desdits moyens de filtrage, dudit bruit électronique sur un bruit associé audit signal.
3. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une q uelconq ue des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage com pren nent un filtre moyenneur desdits N échantillons numériques dudit signal analogique.
4. Dispositif d'acquisition numérique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit filtre moyenneur est pondéré avec des coefficients de pondération modulés en fonction d'un taux de corrélation desdits échantillons entre eux.
5. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une q uelconq ue des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage déterm inent une médiane desdits N échantillons.
6. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de suréchantillonnage (15) pilotent une vitesse dudit convertisseur analogique numérique (12).
7. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de suréchantillonnage pilotent une fréquence de sortie dudit signal analogique dudit capteur.
8. Dispositif d'acquisition numérique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pendant la lecture d'un pixel, ledit signal analogique prenant une première valeur correspondant à un palier de référence, et au moins une deuxième valeur correspondant à un palier de signal, lesdits moyens d'estimation et de détermination sont activés pour un échantillon numérique de ladite deuxième valeur correspondant à un palier de signal.
9. Dispositif d'acquisition numérique selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour un pixel de rang p+1, lesdits moyens de suréchantillonnage sont aptes à suréchantillonner ledit signal analogique correspondant audit palier de référence d'un facteur N' déterminé en fonction d'une variation dudit signal analogique sur au moins deux pixels précédents de rangs p et inférieur.
10. Procédé d'acquisition numérique d'un signal représentatif d'une image comprenant une pluralité de pixels, comprenant :
- une étape (20) d'acquisition d'un signal analogique ;
une étape (21) de conversion analogique numérique délivrant des échantillons numériques dudit signal analogique ;
caractérisé en ce qu'il comprend, pour un pixel de ladite image :
une étape (22) d'estimation d'une valeur dudit signal analogique à partir d'un échantillon numérique associé audit pixel ;
une étape (23) de détermination d'un facteur N de suréchantillonnage dudit signal analogique à partir de ladite valeur estimée et d'un seuil prédéterminé de bruit électronique, où N est un nombre entier supérieur ou égal à 1 ;
si N>1, une étape de suréchantillonnage dudit signal analogique dudit facteur N ; si N>1, une étape (24) de filtrage de N échantillons numériques dudit signal analogique associés audit pixel.
11. Produit program me d'ordinateu r com prenant des instructions de code de program me pour la m ise en œuvre des étapes du procédé selon la revendication 10 lorsque ledit programme est exécuté par un processeur.
PCT/EP2015/053551 2014-02-27 2015-02-19 Procédé et dispositif d'acquisition numérique de signal d'image, permettant une réduction de bruit électronique Ceased WO2015128246A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1451608 2014-02-27
FR1451608A FR3018017A1 (fr) 2014-02-27 2014-02-27 Procede et dispositif d'acquisition numerique de signal, notamment d'image, permettant une reduction de bruit electronique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015128246A1 true WO2015128246A1 (fr) 2015-09-03

Family

ID=51063558

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/053551 Ceased WO2015128246A1 (fr) 2014-02-27 2015-02-19 Procédé et dispositif d'acquisition numérique de signal d'image, permettant une réduction de bruit électronique

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3018017A1 (fr)
WO (1) WO2015128246A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7345607B1 (en) * 2006-09-29 2008-03-18 Medtronic, Inc. Implantable medical device with adjustable sigma-delta analog-to-digital conversion clock rate
US20090289824A1 (en) * 2008-05-20 2009-11-26 Kuo-Hsin Chen Sigma-delta modulator and method thereof
US20120211662A1 (en) * 2011-02-21 2012-08-23 Fujifilm Corporation Radiographic image capturing apparatus

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9344635B2 (en) * 2011-11-08 2016-05-17 Rambus Inc. Conditional-reset, temporally oversampled image sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7345607B1 (en) * 2006-09-29 2008-03-18 Medtronic, Inc. Implantable medical device with adjustable sigma-delta analog-to-digital conversion clock rate
US20090289824A1 (en) * 2008-05-20 2009-11-26 Kuo-Hsin Chen Sigma-delta modulator and method thereof
US20120211662A1 (en) * 2011-02-21 2012-08-23 Fujifilm Corporation Radiographic image capturing apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"IMPROVING ADC RESOLUTION BY OVERSAMPLING AND AVERAGING", 31 July 2013 (2013-07-31), pages 1 - 22, XP055151579, Retrieved from the Internet <URL:https://www.silabs.com/Support Documents/TechnicalDocs/an118.pdf> [retrieved on 20141107] *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3018017A1 (fr) 2015-08-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2457379B1 (fr) Procédé d&#39;estimation d&#39;un défaut d&#39;un système de capture d&#39;images et systèmes associés
BE1022491B1 (fr) Procede pour eviter la saturation de pixel.
EP3571834B1 (fr) Génération adaptative d&#39;une image à grande gamme dynamique d&#39;une scène, à partir d&#39;une pluralité d&#39;images obtenues par lecture non destructive d&#39;un capteur d&#39;image
FR2817106A1 (fr) Dispositif photosensible et procede de commande du dispositif photosensible
EP0817472A1 (fr) Procédé et dispositif pour la prise d&#39;images exposées aux rayons X ou gamma avec optimisation du temps d&#39;exposition
EP2177020B1 (fr) Procédé de correction de sensibilité et capteur d&#39;image matriciel pour la mise en oeuvre de ce procédé
EP3487167A1 (fr) Capteur d&#39;images à grande gamme dynamique
EP4020978A1 (fr) Procede d&#39;etalonnage d&#39;une matrice de photodetecteurs, dispositif d&#39;etalonnage et systeme d&#39;imagerie associes
EP3406074A1 (fr) Procede de commande d&#39;un capteur d&#39;image a pixels actifs
WO2015128246A1 (fr) Procédé et dispositif d&#39;acquisition numérique de signal d&#39;image, permettant une réduction de bruit électronique
EP3005684A1 (fr) Capteur cmos à photosites standard
EP2486724B1 (fr) Procédé pour la réduction du bruit dans le signal d&#39;image d&#39;un dispositif photosensible
EP3026890B1 (fr) Contrôle de la durée d&#39;intégration dans un dispositif photosensible
EP1346231B1 (fr) Procedes et appareils pour le traitement analogique du signal emis par un detecteur de particules
EP1325625B1 (fr) Dispositif de detection d&#39;un flux photonique a balayage autoadaptatif
EP2394424B1 (fr) Procédé de correction d&#39;images obtenues par une matrice de points photosensibles
WO2020049460A1 (fr) Dispositif imageur à grande vitesse d&#39;acquisition et à gamme dynamique étendue
EP3729796B1 (fr) Procede et systeme d&#39;imagerie a haut et bas niveaux de lumiere
FR2992813A1 (fr) Procede de commande d&#39;un pixel cmos
FR2945668A1 (fr) Capteur d&#39;image pour imagerie a tres bas niveau de lumiere.
FR2800549A1 (fr) Procede et dispositif d&#39;acquisition de pixels
FR2762741A1 (fr) Procede de commande d&#39;un detecteur d&#39;image offrant une protection contre les eblouissements, et detecteur d&#39;image mettant en oeuvre le procede

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15705321

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15705321

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1