WO2022023668A1 - Procede et systeme pour imager une scene dans l'espace - Google Patents

Procede et systeme pour imager une scene dans l'espace Download PDF

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WO2022023668A1 PCT/FR2021/051406 FR2021051406W WO2022023668A1 WO 2022023668 A1 WO2022023668 A1 WO 2022023668A1 FR 2021051406 W FR2021051406 W FR 2021051406W WO 2022023668 A1 WO2022023668 A1 WO 2022023668A1
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Thierry OLLIVIER
Julien CANTEGREIL
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Spaceable
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    • H04N23/743—Bracketing, i.e. taking a series of images with varying exposure conditions
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    • G06T2207/20221—Image fusion; Image merging

Definitions

  • the present invention relates to a method for imaging a scene in space. It also relates to a system implementing the imaging method according to the invention.
  • the visual inspection of satellites in orbit corresponds to an increasingly strong expectation of satellite operators.
  • This inspection is in practice carried out from a spacecraft, in particular a dedicated satellite which embeds a system for taking pictures or acquiring images which are stored locally and then transmitted via a terrestrial reception station to a processing site. to be analyzed there, by a user or by automatic means of analysis, to detect anomalies.
  • a photographic sensor or imager can take a photo over a dynamic range of 8 to 10EV, while the shooting conditions represent a dynamic range of 20EV.
  • Exposure bracketing [1] which consists of taking a series of successive photographs in a single trigger, the exposure varying automatically between the shots.
  • the exposure variation is obtained by changing the exposure time and/or the aperture. This feature is used in cases where the determination of exposure values is difficult (situation of strong backlight for example, or when multiple reflections distort the exposure measurement by the cell or the exposure meter), or simply for security purposes.
  • the exposure calculation currently performed on digital cameras is most often done automatically, by taking an average of the luminance of a certain amount of pixels of the whole image or of a user-defined area so that the main subject of the photo is exposed correctly [2] [3]
  • the object of the present invention is to overcome these drawbacks by proposing a new method for imaging a scene in space which provides, on a computer screen of a user on the ground, images having a dynamic range wide enough to allow easy detection of anomalies.
  • This objective is achieved with a method for imaging a scene in space from a spacecraft, comprising an acquisition of a sequence of N images of said scene, with a partial overlap of the dynamic range of said images and with exposure times adjusted respectively to pass from a first darkest image to increasingly brighter images, so as to cover a dynamic range greater than that of each of said acquired images.
  • this imaging method comprises: a first step for determining a reference exposure time for the first image, the darkest, implementing a first criterion according to which the first image can comprise white pixels of maximum brightness, and a second criterion according to which the first image cannot have white areas of maximum brightness greater than or equal to 2x2 pixels, a step for acquiring an image of a scene of interest with a determined exposure time, an analysis of said image to determine whether it satisfies said first and second criteria, and if not, a new image acquisition with a modified exposure time, followed by a new analysis, said new acquisition steps and of new analysis being repeated until said first and second criteria are satisfied, a last step to acquire the Nl images.
  • this imaging method according to the invention is intended for a sequence of images, i.e. allowing overexposed images and underexposed images on one of the images but not all of them.
  • Each image in the sequence of images beyond the first can be at least 16 times brighter (+4EV) than the previous one.
  • the sequence of images can be taken in the shortest possible time to avoid pixel shifts between images taken from the same scene.
  • the imaging method according to the invention may further comprise a step for determining the exposure time modified by successive approximations, implementing a rapid calculation method such as a method by dichotomy, consisting in repeating partitions of an interval in two parts then to select the sub-interval in which there is a zero of the function, with the aim of reducing the determination time.
  • a rapid calculation method such as a method by dichotomy, consisting in repeating partitions of an interval in two parts then to select the sub-interval in which there is a zero of the function, with the aim of reducing the determination time.
  • the analysis step may only be performed for 1 pixel out of N, N being greater than or equal to 2.
  • the imaging method according to the invention can be implemented to image a satellite in orbit.
  • a system for imaging a scene in space from a spacecraft implementing the imaging method according to the invention, this system comprising means for taking of views provided for acquiring a sequence of N images of said scene, with a partial overlap of the dynamic range of said images, and means for adjusting the exposure time of each image, respectively for acquiring images of a first image darker to increasingly brighter images, so as to cover a dynamic range greater than that of each of said acquired images.
  • the imaging system according to the invention can be embedded in a visual inspection satellite communicating with a terrestrial reception station. DESCRIPTION OF FIGURES
  • Figure 1 illustrates an example of a dynamic range implemented for shots according to the invention
  • Figure 3 illustrates the exposure times for a sequence of shots (drawings not to scale) produced with the method according to the invention.
  • Exposure Value for "Exposure Value” 1EV corresponds to a doubling of the brightness.
  • An exemplary embodiment of an on-board imaging system comprises, by way of non-limiting example, optical imaging equipment, a control and processing unit, an image storage unit and a radio communication unit with a ground receiving station.
  • This on-board imaging system is for example installed in a visual inspection satellite designed to inspect one or more satellites in Earth orbit.
  • the control and processing unit is programmed to control the shooting equipment so that it takes a sequence of N photographic images in a row, in the shortest possible period of time so as not to have any lag pixels between photos.
  • This consists of taking N photos, from the darkest to the lightest, which makes it possible to cover a much greater dynamic range. For example, if with reference to Figure 1 we acquire four images in a row, using a dynamic range of 8EV for each image to limit noise, even if the photo has a higher dynamic range, each image being 16 times clearer (+4EV) than the previous one. We then have a covered dynamic range of 20EV.
  • the control and processing unit is also programmed to determine a reference exposure time for the first image (Photo 1), which then makes it possible to calculate the exposure time for Photos 2, 3 and 4.
  • the SHDR imaging method according to the invention implements an algorithm which determines the optimal exposure time for each image of the sequence.
  • the very dark image must make it possible to distinguish all the details in the light areas.
  • the very clear image must make it possible to distinguish all the details in the dark areas.
  • the other intermediate images serve as a transition for an SHDR display or for a classic treatment of HDR type photos (High Dynamic Range: wide dynamic range).
  • the algorithm is dedicated to determining the reference exposure time, i.e. the one corresponding to the darkest photo. For this, the following criteria are applied:
  • the algorithm controls the acquisition of an image of a scene of interest such as a satellite, the analysis of this image, and if it does not meet the criteria, a new image acquisition by changing the time of exposure.
  • the new exposure time is found by dichotomy, so as to reduce the number of photos to be taken to find the right exposure time.
  • For the analysis to be fast we only analyze 1 pixel out of 4, with reference to figure 2. With this simplification, the analysis time is divided by 4, we are sure that a block of 2x2 saturated pixels will be detected, and we authorize white pixels which could correspond to stars.
  • Tl reference exposure time
  • the images are acquired (Photos 1, 2, 3 and 4) by multiplying the exposure time by 16 each time (which corresponds to the overlap of 4EV), with reference to figure 3.

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Abstract

Procédé pour imager une scène dans l'espace à partir d'un vaisseau spatial, comprenant une acquisition d'une séquence de N images de ladite scène, avec un recouvrement partiel de la plage dynamique desdites images et avec des temps d'exposition calculés respectivement pour acquérir des images de la plus foncée à la plus claire, de façon à couvrir une plage dynamique largement supérieure à celle de chacune desdites images acquises et permettre la détection d'anomalies même de petites dimensions.

Description

PROCEDE ET SYSTEME POUR IMAGER UNE SCENE DANS L’ESPACE
DOMAINE DE G INVENTION
La présente invention concerne un procédé pour imager une scène dans l’espace. Elle vise également un système mettant en œuvre le procédé d’imagerie selon l’invention.
ETAT DE LA TECHNIQUE
L’inspection visuelle de satellites en orbite correspond à une attente de plus en plus forte des opérateurs de satellite. Cette inspection est en pratique réalisée à partir d’un vaisseau spatial, notamment un satellite dédié qui embarque un système de prise de vues ou d’acquisition d’images qui sont stockées localement puis transmises via une station de réception terrestre à un site de traitement pour y être analysées, par un utilisateur ou par des moyens d’analyse automatiques, pour détecter des anomalies.
Ces anomalies peuvent être assez petites, 2x2 pixels au minimum, il faut donc que les images affichées sur l’écran du poste de travail d’un utilisateur soient de la meilleure qualité possible.
Les photographies prises dans l’espace sont très contrastées, et la plage dynamique de lumière présente est très grande, largement supérieure à celle d’un capteur photo.
Si on raisonne en EV (Exposure Value), un capteur ou imageur photographique peut prendre une photo sur une plage dynamique de 8 à 10EV, alors que les conditions de prise de vues représentent un plage dynamique de 20EV.
On connaît déjà le procédé dit de « bracketing d'exposition » [1] qui consiste à prendre une série de photographies successives en un seul déclenchement, l'exposition variant automatiquement entre les prises de vue. La variation d'exposition est obtenue en changeant le temps de pose et/ou l'ouverture. Cette fonctionnalité est utilisée dans les cas où la détermination des valeurs d'exposition est difficile (situation de fort contre-jour par exemple, ou lorsque des reflets multiples faussent la mesure de l'exposition par la cellule ou le posemètre), ou encore simplement par sécurité.
Par ailleurs, le calcul d'exposition effectué actuellement sur les appareils de photographie numérique se fait le plus souvent automatiquement, en faisant une moyenne de la luminance d’une certaine quantité de pixels de toute l’image ou d’une zone définie par l'utilisateur de façon à ce que le sujet principal de la photo soit exposé correctement [2] [3]
Toutefois, les algorithmes mis en œuvre dans ces procédé de « bracketing d’exposition » ou de calcul d’exposition sont prévus pour une prise de vue avec une seule image, ce qui limite forcément la plage dynamique globale de la prise de vue d’une scène à contraste élevé.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau procédé d’imagerie d’une scène dans l’espace qui procure, sur un écran d’ordinateur d’un utilisateur au sol, des images présentant une plage dynamique suffisamment large pour permettre une détection aisée d’anomalies.
EXPOSE DE L’INVENTION
Cet objectif est atteint avec un procédé pour imager une scène dans l’espace à partir d’un vaisseau spatial, comprenant une acquisition d’une séquence de N images de ladite scène, avec un recouvrement partiel de la plage dynamique desdites images et avec des temps d’exposition réglés respectivement pour passer d’une première image la plus sombre à des images de plus en plus claires, de façon à couvrir une plage dynamique supérieure à celle de chacune desdites images acquises. Suivant l’invention, ce procédé d’imagerie comprend : une première étape pour déterminer un temps d’exposition de référence pour la première image, la plus sombre, mettant en œuvre un premier critère selon lequel la première image peut comporter des pixels blancs de luminosité maximale, et un second critère selon lequel la première image ne peut pas avoir des zones blanches de luminosité maximale supérieures ou égales à 2x2 pixels, une étape pour acquérir une image d’une scène d’intérêt avec un temps d’exposition déterminé, une analyse de ladite image pour déterminer si celle-ci satisfait lesdits premier et second critères, et dans le cas contraire une nouvelle acquisition d’image avec un temps d’exposition modifié, suivi d'une nouvelle analyse, lesdites étapes de nouvelle acquisition et de nouvelle analyse étant réitérées jusqu’à ce que lesdits premier et second critères soient satisfaits, une dernière étape pour acquérir les N-l images.
Ainsi, ce procédé d’imagerie selon l’invention est prévu pour une séquence d’images, c'est à dire autorisant des images surexposées et des images sous-exposées sur l'une des images mais pas toutes.
Chaque image de la séquence d’images au-delà de la première peut être au moins 16 fois plus claire (+4EV) que la précédente.
La séquence d’images peut être prise dans un laps de temps le plus court possible pour ne pas avoir de décalage de pixels entre les images prises d’une même scène.
Le procédé d’imagerie selon l’invention peut en outre comprendre une étape pour déterminer le temps d’exposition modifié par approximations successives, mettant en œuvre une méthode de calcul rapide telle qu’une méthode par dichotomie, consistant à répéter des partages d'un intervalle en deux parties puis à sélectionner le sous-intervalle dans lequel existe un zéro de la fonction, avec pour objectif de réduire le temps de détermination. Pour des raisons semblables, l’étape d’analyse peut n'être effectuée que pour 1 pixel sur N, N étant supérieur ou égal à 2.
Le procédé d’imagerie selon l’invention peut être mis en œuvre pour imager un satellite en orbite.
Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un système pour imager une scène dans l’espace à partir d’un vaisseau spatial, mettant en œuvre le procédé d’imagerie selon l’invention, ce système comprenant des moyens de prise de vues prévus pour acquérir une séquence de N images de ladite scène, avec un recouvrement partiel de la plage dynamique desdites images, et des moyens pour régler le temps d’exposition de chaque image, respectivement pour acquérir des images d’une première image la plus sombre à des images de plus en plus claires, de façon à couvrir une plage dynamique supérieure à celle de chacune desdites images acquises.
Le système d’imagerie selon l’invention peut être embarqué dans un satellite d’inspection visuelle communiquant avec une station de réception terrestre. DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
• La figure 1 illustre un exemple d’une plage dynamique mise en œuvre pour des prises de vue selon l’invention ;
• La figure 2 illustre une portion de photo analysée ;
• La figure 3 illustre les temps d'exposition pour une séquence de prise de vues (dessins non à l’échelle) réalisées avec le procédé selon l’invention.
DEFINITIONS
SHDR : SpaceAble High Dynamic Range pour « Grande Gamme dynamique de SpaceAble »
EV : Exposure Value pour « Valeur d’exposition » : 1EV correspond à un doublement de la luminosité.
DESCRIPTION DETAILLEE
Un exemple de réalisation d’un système d’imagerie embarqué selon l’invention comprend, à titre d’exemple non limitatif, un équipement optique de prise de vue, une unité de contrôle et de traitement, une unité de stockage d’images et une unité de radiocommunication avec une station de réception au sol.
Ce système d’imagerie embarqué selon l’invention est par exemple installé dans un satellite d’inspection visuelle prévu pour inspecter un ou plusieurs satellites en orbitede la Terre. L’unité de contrôle et de traitement est programmée pour commander l’équipement de prise de vue de sorte qu’il prenne une séquence de N images photographiques à la suite, dans un laps de temps le plus court possible pour ne pas avoir de décalage de pixels entre les photos. Cela consiste à prendre N photos, de la plus foncée à la plus claire, ce qui permet de couvrir une plage dynamique beaucoup plus importante. Par exemple, si en référence à la figure 1 on acquiert quatre images à la suite, en utilisant une plage dynamique de 8EV pour chaque image pour limiter le bruit, même si la photo possède une plage dynamique supérieure, chaque image étant plus 16 fois claire (+4EV) que la précédente. On a alors une plage dynamique couverte de 20EV. Pour le reste de la description, il sera fait mention d’un nombre d’images N=4 par séquence. La luminosité des photos est indiquée en %. La valeur 0% indique une photo entièrement noire, la valeur 100% indique une photo entièrement blanche.
Cette acquisition d’images de luminosité croissante est déjà connue en photographie terrestre sous le terme de "bracketing d'exposition", mais avec un écart de luminosité entre deux photographies beaucoup plus réduit (par exemple 1EV).
L’unité de contrôle et de traitement est aussi programmée pour déterminer un temps d’exposition de référence de la première image (Photo 1), qui permet de calculer alors le temps d’exposition des Photos 2, 3 et 4.
Le procédé d’imagerie SHDR selon l’invention implémente un algorithme qui détermine le temps d’exposition optimal pour chaque image de la séquence. L’image très foncée doit permettre de distinguer tous les détails dans les zones claires. L’image très claire doit permettre de distinguer tous les détails dans les zones foncées.
Les autres images intermédiaires servent de transition pour un affichage SHDR ou pour un traitement classique de photos de type HDR (High Dynamic Range : large gamme dynamique).
Dans un premier temps, l’algorithme est dédié à la détermination du temps d'exposition de référence, c’est à dire celui correspondant à la photo la plus foncée. Pour cela, les critères suivants sont appliqués :
- on autorise à avoir des pixels blancs (100%) contigus ou non car ils peuvent par exemple représenter les étoiles,
- on n’autorise pas à avoir des zones blanches supérieures ou égales à 2x2 pixels,
L’algorithme commande l’acquisition d’une image d’une scène d’intérêt telle qu’un satellite, l’analyse de cette image, et si elle ne répond pas aux critères, une nouvelle acquisition d’image en changeant le temps d’exposition. Le nouveau temps d’exposition est trouvé par dichotomie, de façon à réduire le nombre de photos à prendre pour trouver le bon temps d’exposition. Pour que l’analyse soit rapide, on n’analyse que 1 pixel sur 4, en référence à la figure 2. Avec cette simplification, le temps d'analyse est divisé par 4, on est sûr qu'un bloc de 2x2 pixels saturés sera détecté, et on autorise des pixels blancs qui pourraient correspondre à des étoiles. Une fois que l'on a déterminé le temps d'exposition de référence (appelé Tl), on acquiert les images (Photos 1, 2, 3 et 4) en multipliant par 16 le temps d'exposition à chaque fois (ce qui correspond au chevauchement de 4EV), en référence à la figure 3. Il n'y a pas d'analyse d’image dans cette phase de façon à avoir le temps de prise de vues le plus court pour l'ensemble des Photos 1, 2, 3 et 4. Si par exemple le temps d'exposition de référence trouvé est de 1ms, on a Tl=lms, T2 = 16ms, T3 = 256ms et T4 = 4096ms.
A la fin de la prise de vues, on se retrouve avec 4 images (photos) dont la plus foncée ne possède pas de groupe de 2x2 pixels saturés à 100%, et dont l’image la plus claire ne possède aucun pixel saturé à 0% (car elle est 4096 fois plus claire que la photo de référence).
Il est à noter que le résultat d'une séquence complète est optimal lorsqu'il n'y a pas de déplacement de la scène photographiée ou de l'équipement optique pendant la prise de vues. A défaut, on risque un décalage entre les photos qu'il faudra réaligner. Dans l'espace, les déplacements relatifs sont lents ce qui permet l'utilisation de ce procédé. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. En particulier, on peut envisager une séquence d’images contenant un nombre d’images différent de 4. REFERENCES
[1] Bracketing d'exposition https://fr.wikipedia.org/wiki/Bracketing
[2] Jarosiaw Bemacki "Automatic exposure algorithms for digital photography" (22 janvier 2020)
[3] Yuanhang Su & Jay Kuo "Fast and Robust Camera’s Auto Exposure Control Using Convex or Concave Model" (2015)

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour imager une scène dans l’espace à partir d’un vaisseau spatial, comprenant une acquisition d’une séquence de N images de ladite scène, avec un recouvrement partiel de la plage dynamique desdites images et avec des temps d’exposition réglés respectivement pour passer d’une première image la plus sombre à des images de plus en plus claires, de façon à couvrir une plage dynamique supérieure à celle de chacune desdites images acquises, caractérisé en ce qu’il comprend : une première étape pour déterminer un temps d’exposition de référence pour la première image, la plus sombre, mettant en œuvre un premier critère selon lequel la première image peut comporter des pixels blancs de luminosité maximale, et un second critère selon lequel la première image ne peut pas avoir des zones blanches de luminosité maximale supérieures ou égales à 2x2 pixels, une étape pour acquérir une image d’une scène d’intérêt avec un temps d’exposition déterminé, une analyse de ladite image pour déterminer si celle-ci satisfait lesdits premier et second critères, et dans le cas contraire une nouvelle acquisition d’image avec un temps d’exposition modifié, suivi d'une nouvelle analyse, lesdites étapes de nouvelle acquisition et de nouvelle analyse étant réitérées jusqu’à ce que lesdits premier et second critères soient satisfaits. une dernière étape pour acquérir les N-l images.
2. Procédé d’imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque image de la séquence d’images au-delà de la première est au moins 16 fois plus claire (+4EV) que la précédente.
3. Procédé d’imagerie selon Tune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la séquence d’images est prise dans un laps de temps le plus court possible pour ne pas avoir de décalage de pixels entre les images prises d’une même scène.
4. Procédé d’imagerie selon Tune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une étape pour déterminer le temps d’exposition modifié par approximations successives, mettant en œuvre une méthode de calcul rapide telle qu’une méthode par dichotomie, consistant à répéter des partages d'un intervalle en deux parties puis à sélectionner le sous-intervalle dans lequel existe un zéro de la fonction.
5. Procédé d’imagerie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape d’analyse n'est effectuée que pour 1 pixel sur N, N étant supérieur ou égal à 2.
6. Procédé d’imagerie selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre pour imager un satellite en orbite.
7. Système pour imager une scène dans l’espace à partir d’un vaisseau spatial, mettant en œuvre le procédé d’imagerie selon l’une quelconque des revendications précédentes, ce système comprenant des moyens de prise de vues prévus pour acquérir une séquence de N images de ladite scène, avec un recouvrement partiel de la plage dynamique desdites images, et des moyens pour régler le temps d’exposition de chaque image, respectivement pour acquérir des images d’une première image la plus sombre à des images de plus en plus claires, de façon à couvrir une plage dynamique supérieure à celle de chacune desdites images acquises.
8. Système d’imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il est embarqué dans un satellite d’inspection visuelle communiquant avec une station de réception terrestre.
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