WO2024008421A1 - Dispositif de capture d'image et système de surveillance d'un conducteur d'un véhicule - Google Patents

Dispositif de capture d'image et système de surveillance d'un conducteur d'un véhicule Download PDF

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WO2024008421A1
WO2024008421A1 PCT/EP2023/066401 EP2023066401W WO2024008421A1 WO 2024008421 A1 WO2024008421 A1 WO 2024008421A1 EP 2023066401 W EP2023066401 W EP 2023066401W WO 2024008421 A1 WO2024008421 A1 WO 2024008421A1
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infrared
image capture
pixels
pixel
capture device
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Application number
PCT/EP2023/066401
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Inventor
Aleksandar Popovic
Salim DLIH
Original Assignee
Valeo Comfort And Driving Assistance
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N25/10—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming different wavelengths into image signals
    • H04N25/11—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics
    • H04N25/13—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements
    • H04N25/131—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements including elements passing infrared wavelengths
    • G—PHYSICS
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    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
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    • H04N23/11—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths for generating image signals from visible and infrared light wavelengths
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    • H04N25/133—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements including elements passing panchromatic light, e.g. filters passing white light

Definitions

  • the present invention generally relates to the technical field of image capture.
  • It relates more particularly to an image capture device.
  • DMS Driver monitoring systems
  • sunglasses traditionally operate in the infrared or near-infrared range. This makes it possible, for example, to detect the driver's eyes through sunglasses.
  • a driver monitoring system generally includes an image capture device sensitive to infrared light and a diode emitting infrared light.
  • the infrared diode is necessary when illumination conditions are low, for example at night, and the light flux captured is not sufficient to form an image.
  • RGB-IR Red Green Blue - InfraRed
  • the present invention proposes an image capture device comprising: - at least one transparent pixel which is sensitive to all wavelengths included in the visible range; And - at least one infrared pixel which is less sensitive than the transparent pixel to wavelengths included in the visible range and which is sensitive to a given range of wavelengths in the infrared range.
  • the present invention also provides a driver monitoring system comprising such an image capture device.
  • the image capture device is capable of acquiring images of sufficient quality when the illumination conditions are low.
  • transparent pixels have a sensitivity extended to the entire visible domain, they can convert a light flux from the visible domain into an electrical signal, whatever its wavelength range. Transparent pixels therefore make it possible to take advantage of the slightest luminous flux to form an image.
  • a transparent pixel For comparison, upon reception of a luminous flux of homogeneous intensity in the visible domain, a transparent pixel provides an electrical signal approximately three times larger than a green, blue or red pixel of an “RGB- IR”.
  • the image capture device according to the invention is therefore more sensitive (more efficient) than those of the prior art, that is to say more capable of acquiring images under conditions of low illumination. Consequently, the image capture device according to the invention makes it possible to implement a driver monitoring system that does not require an additional infrared light source installed in the passenger compartment of the vehicle. This system is therefore less expensive than those of the prior art.
  • the infrared pixels make it possible to capture images in which the driver's eyes are visible, which makes vehicle tracking driver attention more efficient. Indeed, since infrared pixels are less sensitive than transparent pixels to visible light, infrared pixels are not saturated by the visible light reflected by the sunglasses and thus make it possible to “see” through them. This is because sunglasses are generally transparent to infrared light.
  • the driver monitoring system ensures the safety of the driver, because the images are of sufficient quality whatever the illumination conditions, while being inexpensive.
  • the images acquired are not in color, which can be unfortunate for applications such as videoconferencing.
  • the at least one transparent pixel has an average quantum efficiency greater than 20% over a wavelength range extending from 400 nm to 780 nm
  • - the at least one infrared pixel has an average quantum efficiency of less than 20% over a wavelength range extending from 400 nm to 780 nm and an average quantum efficiency greater than 20% over said wavelength range infrared domain data
  • - the device has at least one of the following proportions: as many transparent pixels as infrared pixels, three times more transparent pixels than infrared pixels, and three times more infrared pixels than transparent pixels
  • - the at least one transparent pixel and the at least one infrared pixel each have a photosensitive surface of between 9 ⁇ m2 and 25 ⁇ m2.
  • the system comprises a daytime operating mode, in which the system is configured to capture at least one image by means of the at least one infrared pixel, and a nighttime operating mode, in which the system is configured to capture at least an image using the at least one transparent pixel;
  • the image capture device is configured to autonomously determine image capture parameter values and the system is configured to switch between the daytime operating mode and the nighttime operating mode based on at least one of said values;
  • the system is configured to switch between the daytime operating mode and the nighttime operating mode based on a value of at least one of the following parameters: an electronic gain used by the data capture device image to amplify signals generated by the at least one infrared pixel and the at least one transparent pixel, an exposure time used by the image capture device, a signal-to-noise ratio of an image captured by the image capture device image capture;
  • the system further comprises a control unit
  • FIG. 1 is a schematic view of a driver monitoring system according to the invention.
  • FIG. 1 is a third embodiment of a matrix of photosensitive pixels of the image capture device according to the invention.
  • a driver monitoring system 1 is shown on the .
  • the driver monitoring system 1 hereinafter called more succinctly “monitoring system” 1, makes it possible to evaluate the vigilance of the driver of a motor vehicle.
  • the monitoring system 1 can for example control the brakes of the vehicle when it detects that a level of distraction or a level of drowsiness of the driver is high, that is to say generally when the driving faculties of the driver are diminished.
  • the monitoring system 1 therefore comprises an image capture device 2.
  • the field of view of the image capture device 2 is oriented towards the driver's head, in particular so as to capture images of his face.
  • the surveillance system 1 also includes a calculation unit 3 adapted to process the images captured by the image capture device 2 so as to implement conventional surveillance algorithms (for example the detection of gaze directions).
  • the calculation unit 3 here includes a memory and a processor.
  • the calculation unit 3 can be part of the vehicle computer or be a unit dedicated to the monitoring system 1.
  • the calculation unit 3 is also adapted to control the image capture device 2 and more specifically to trigger image captures.
  • the image capture device 2 comprises a matrix 4 of photosensitive pixels 41, 42.
  • the photosensitive pixels 41, 42 are here of square shape and have sides whose length is between 3 ⁇ m and 5 ⁇ m, which corresponds to a photosensitive surface of between 9 ⁇ m2 and 25 ⁇ m2 per photosensitive pixel 41, 42.
  • the photosensitive surface of a photosensitive pixel 41, 42 corresponds to its surface which is adapted to receive photons in order to generate an electrical signal.
  • the photosensitive pixels 41, 42 are distributed in a checkerboard pattern as shown in Figures 3 to 5.
  • the matrix 4 includes for example a number of megapixels of between one and two.
  • the image capture device 2 also includes optical means guiding the light towards the photosensitive pixels 41, 42 and electronic means, in particular for processing the electrical signals generated by photosensitive pixels 41, 42.
  • the photosensitive pixels 41, 42 are here more specifically either transparent pixels 41 or infrared pixels 42.
  • Each transparent pixel 41 is sensitive to all wavelengths included in the visible range.
  • visible domain we mean here the wavelengths between approximately 380 nm and approximately 780 nm.
  • Each transparent pixel 41 is more particularly more sensitive to wavelengths in the visible range than to wavelengths outside the visible range.
  • each infrared pixel 42 has increased sensitivity in a given wavelength range of the infrared domain.
  • Each infrared pixel 42 is in particular less sensitive than the transparent pixels 41 in the visible domain.
  • the infrared pixels 42 are less sensitive, in the visible domain, than the transparent pixels 41 means that the transparent pixels 41 more efficiently convert a light flux in the visible domain into an electrical signal than do the infrared pixels 42.
  • Each transparent pixel 41 is adapted to convert photons whose wavelengths are in the visible range into electrons. In other words, each transparent pixel 41 is adapted to convert photons into electrons whatever their wavelength in the visible range.
  • each transparent pixel 41 has a quantum efficiency, that is to say a rate of conversion of photons into electrons, greater than 20%, on average, throughout the visible range, that is to say here on a continuous range of wavelengths from 400 nm to 780 nm.
  • quantum efficiency we mean here an arithmetic average or defined as the integral of the quantum efficiency over a wavelength interval divided by the width of said interval.
  • the quantum efficiency may be lower than said average value.
  • Each transparent pixel 41 more specifically has a quantum efficiency greater than 20% for each wavelength in the visible range, that is to say here from 400 nm to 780 nm. So, as shown in , the quantum efficiency of each transparent pixel 41, represented by a first curve 51, is greater than 20% over a range of wavelengths extending from 400 nm to 780 nm, that is to say over a continuous range of wavelengths from 400 nm to 780 nm.
  • the applicant has in fact demonstrated that a sensitivity greater than 20% makes it possible to obtain images whose signal-to-noise ratio is greater than 7 with a luminous flux of only 0.4 lux.
  • the image capture device 2 therefore makes it possible to obtain images of sufficient quality to implement the surveillance algorithms, even in low illumination conditions.
  • the quantum efficiency of each transparent pixel 41 is greater than 30% over the wavelength range extending from 400 nm to 780 nm. As shown in the , the quantum efficiency of each transparent pixel 41 is here more specifically between 40% and 75% over the wavelength range extending from 400 nm to 780 nm.
  • the matrix 4 can then contain more photosensitive pixels 41, 42 and produce images of greater resolution.
  • transparent pixels 41 make it possible to form black and white images, that is to say images in gray levels.
  • the images formed using transparent pixels 41, conventionally by interpolation, are hereinafter called “visible images”.
  • each transparent pixel 41 here comprises a photosensitive silicon surface in front of which no optical filter is placed. This means that the light coming from the field of view of the image capture device 2 only passes through transparent optical elements which do not modify or very little its frequency content of visible light.
  • each infrared pixel 42 comprises a photosensitive silicon surface, which is here identical to that of the transparent pixels 41, in front of which an infrared optical filter is placed.
  • each infrared optical filter transmits wavelengths above 780 nm and partly blocks those below 780 nm.
  • Each infrared optical filter is thus a high-pass filter whose cutoff wavelength is between 750 nm and 800 nm. Beyond 780 nm, the quantum efficiency of the transparent pixels 41 and the infrared pixels 42 is therefore similar, as illustrated in .
  • each infrared pixel 42 is thus more sensitive in the near infrared domain than in the visible domain.
  • each infrared pixel 42 has an average quantum efficiency greater than 20% from 800 nm to 850 nm while it has an average quantum efficiency less than 20% over the aforementioned wavelength range extending from 400 nm to 850 nm. 780nm.
  • Each infrared pixel 42 more specifically has a quantum efficiency, represented by a second curve 52, greater than 20% for each wavelength of the infrared domain extending from 800 nm to 850 nm, that is to say over a continuous wavelength range from 800 nm to 850 nm, while it has a quantum efficiency of less than 20% for each wavelength from 400 nm to 780 nm. From 800 nm to 850 nm, infrared pixels even have a quantum efficiency greater than 30%.
  • each infrared pixel 42 can have a quantum efficiency greater than 20% over a wavelength range extending from 790 nm to 900 nm.
  • the given wavelength range of the infrared domain in which the infrared pixels 42 are more sensitive than in the visible domain, extends here from a first wavelength between 780 nm and 800 nm up to at a second wavelength between 900 nm and 950 nm.
  • infrared optical filters can also be more absorbing in the visible range so that the infrared pixels have a quantum efficiency of less than 15% or 10% in the visible range.
  • the infrared pixels 42 make it possible to form infrared images, also in gray levels, from wavelengths generally between 780 nm and 900 nm.
  • the images formed using infrared pixels, conventionally by interpolation, are hereinafter called "infrared images”.
  • the transparent pixels 41 and the infrared pixels 42 are distributed alternately according to a pattern 45.
  • the pattern 45 is repeated so as to form the entire matrix 4.
  • the pattern 45 here comprises sixteen photosensitive pixels 41, 42 forming a square of four photosensitive pixels 41, 42 on each side.
  • the pattern 45 includes as many transparent pixels 41 as infrared pixels 42.
  • the transparent pixels 41 and the infrared pixels 42 are alternated both in row and in column.
  • Each infrared pixel 42 (which is not located at the edge of the matrix 4) is thus adjacent on its four sides to four transparent pixels 42 and vice versa.
  • This first embodiment makes it possible to obtain visible images and infrared images of identical resolution.
  • This first embodiment is advantageous when the device is intended to operate both day and night.
  • the pattern 45 includes three times more infrared pixels 42 than transparent pixels 41.
  • the transparent pixels 41 and the infrared pixels 42 are alternated only every other line, the other lines comprising only infrared pixels 42 (the term "line » is interchangeable with that of “column”).
  • Each transparent pixel 41 (which is not located at the edge of the matrix 4) is thus adjacent by its four sides to four infrared pixels 42 and by its four corners to four other infrared pixels 42.
  • This second embodiment makes it possible to obtain infrared images of higher resolution, here three times higher, than visible images.
  • This second embodiment is advantageous when the device is intended to operate more during the day than at night.
  • the pattern 45 includes three times more transparent pixels 41 than infrared pixels 42.
  • the transparent pixels 41 and the infrared pixels 42 alternate only every other line, the other lines comprising only transparent pixels 41 (the term "line » is interchangeable with that of “column”).
  • Each infrared pixel 42 (which is not located at the edge of the matrix 4) is thus adjacent by its four sides to four transparent pixels 41 and by its four corners to four other transparent pixels 41.
  • This third embodiment makes it possible to obtain visible images of higher resolution, here three times higher, than infrared images.
  • This second embodiment is advantageous when the device is intended to operate more at night than during the day. In low illumination conditions, for example at night, the resolution of the image capture device 2 is also greater than that of the first and second embodiments.
  • the monitoring system 1 is here configured to switch between a daytime operating mode, called “day mode”, and a nighttime operating mode, called “night mode”.
  • Day mode is used when the level of illumination, i.e. brightness, in the vehicle cabin is high, for example during the day when the sun's rays penetrate the cabin.
  • the image capture device 2 acquires infrared images using the infrared pixels 42.
  • the monitoring system 1 is then effective even when the driver wears sunglasses.
  • surveillance algorithms are generally more suited to infrared images. Day mode is therefore preferred when lighting conditions permit.
  • Night mode is used when the level of illumination, i.e. the brightness, in the vehicle interior is low, for example at night when the light comes only from the dashboard or street lighting. Night mode can also be used during the day when the sky is particularly dark (clouds, fog, eclipse, etc.).
  • the image capture device 2 acquires visible images using the infrared pixels 42. All available visible light is then used, which allows the surveillance system to be effective.
  • the switching between day and night modes that is to say the determination of the operating mode of the image capture device 2, is here carried out by the calculation unit 3.
  • This switching is for example carried out on the basis of a value of a signal-to-noise ratio of an image, infrared or visible, acquired by the image capture device 2.
  • the value of the signal-to-noise ratio of the images is for example calculated by the calculation unit 3 which then determines the operating mode so that this value is always greater than a first threshold value, for example between 7 and 10 or between 25 and 30.
  • a first threshold value for example between 7 and 10 or between 25 and 30.
  • the calculation unit 3 can switch the image capture device 2 to night mode when the value of the signal-to-noise ratio becomes greater than a second threshold value which is preferably greater than the first threshold value, for example between 10 and 15.
  • the determination of the operating mode is preferably carried out on the basis of image capture parameters representative of conditions internal to the image capture device 2 during image capture.
  • the image capture parameters include an electronic gain, an exposure time and, optionally, an aperture of the diaphragm of the image capture device 2.
  • the electronic gain is used by the image capture device 2 to amplify signals generated by photosensitive pixels 41, 42. It makes it possible to increase the signal at the expense of noise.
  • the exposure time represents the integration time of the light by the photosensitive pixels 41, 42.
  • the gain and the exposure time are controlled in the sense that the image capture device 2 determines their value autonomously according to the illumination conditions.
  • image capture parameter values increase as ambient brightness decreases.
  • the calculation unit 3 accesses the values of these image capture parameters to determine the operating mode of the image capture device 2. For example, when the image capture device 2 is operating in day mode, the calculation unit 3 can switch the image capture device 2 to night mode when the gain value and/or the exposure time value are respectively greater than a third threshold value and/or a fourth threshold value. Conversely, when the image capture device 2 is operating in night mode, the calculation unit 3 can switch the image capture device 2 to day mode when the value of the gain and/or the value of the exposure times are respectively lower than a fifth threshold value and/or a sixth threshold value.
  • the fourth and sixth threshold values can be equal and for example between 30 and 40 milliseconds.
  • the third and fifth threshold values can also be equal and for example between 8 and 24.
  • Hysteresis can also be implemented by differentiating the fourth and sixth threshold values.
  • the most suitable operating mode based on the values of the image capture parameters is determined experimentally through a series of tests. During these tests, the quality of the acquired images is evaluated (for example via a signal-to-noise ratio) by varying the illumination conditions. It is then possible to determine the aforementioned threshold values by defining quality thresholds of the acquired images. It is also possible, by recording the pairs of gain and exposure time values, to constitute a double entry gain/exposure time table which indicates the mode in which the image capture device 2 must operate. This double-entry table is then recorded on the memory of the calculation unit 3. Thus, the calculation unit 3, by accessing the gain and the exposure time, determines the operating mode using this table.
  • the monitoring system 1 may also include a control unit (not shown) adapted to control an illumination level of the vehicle passenger compartment.
  • the control unit is, for example, suitable for controlling the intensity of the dashboard backlighting or that of the ceiling lights.
  • the control unit can thus slightly increase the level of illumination in the passenger compartment to improve the quality of the visible images.
  • the present invention is in no way limited to the embodiments described and represented, but those skilled in the art will be able to make any variation conforming to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de capture d'image comprenant : - au moins un pixel transparent (41) qui est sensible à toutes les longueurs d'onde comprises ans le domaine visible; et - au moins un pixel infrarouge (42) qui est moins sensible que le pixel transparent aux longueurs d'onde comprises dans le domaine visible et qui est sensible à une plage de longueurs d'onde donnée du domaine infrarouge.

Description

Dispositif de capture d’image et système de surveillance d’un conducteur d’un véhicule
La présente invention concerne de manière générale le domaine technique de la capture d’image.
Elle concerne plus particulièrement un dispositif de capture d’image.
Elle concerne également un système de surveillance d’un conducteur d’un véhicule automobile.
 Arrière-plan technologique
Les systèmes de surveillance de conducteur (plus connus sous l’acronyme anglais de DMS pour « driver monitoring system ») fonctionnent traditionnellement dans le domaine infrarouge ou proche infrarouge. Cela permet par exemple de détecter les yeux du conducteur à travers des lunettes de soleil.
Dans ce contexte, un système de surveillance de conducteur comprend généralement un dispositif de capture d’image sensible à la lumière infrarouge et une diode émettant une lumière infrarouge. La diode infrarouge est nécessaire lorsque les conditions d’illumination sont basses, par exemple de nuit, et que le flux lumineux capté n’est pas suffisant pour former une image.
Il existe aussi des systèmes de surveillance de conducteur équipés d’un dispositif de capture d’image comprenant à la fois des pixels couleurs et des pixels infrarouges. Les pixels couleurs permettent de former des images en couleurs qui sont par exemple utilisées pour la vidéoconférence ou la prise de photos. Les pixels couleurs sont typiquement répartis entre des pixels rouges, verts et bleus, on parle alors de dispositifs « RGB-IR » (selon l’acronyme anglais de Red Green Blue - InfraRed, c’est-à-dire Rouge Vert Bleu - InfraRouge). Ces dispositifs de capture d’image nécessitent également une diode infrarouge pour fonctionner lorsque l’illumination dans l’habitacle est faible.
Toutefois, l’utilisation d’une source lumineuse infrarouge entraîne inévitablement un coût supplémentaire.
Dans ce contexte, la présente invention propose un dispositif de capture d’image comprenant :
- au moins un pixel transparent qui est sensible à toutes les longueurs d’onde comprises dans le domaine visible ; et
- au moins un pixel infrarouge qui est moins sensible que le pixel transparent aux longueurs d’onde comprises dans le domaine visible et qui est sensible à une plage de longueurs d’onde donnée du domaine infrarouge.
La présente invention propose aussi un système de surveillance de conducteur comprenant un tel dispositif de capture d’image.
Ainsi grâce à l’invention, le dispositif de capture d’image est capable d’acquérir des images de qualité suffisante lorsque les conditions d’illumination sont basses. En effet, les pixels transparents présentant une sensibilité élargie à tout le domaine visible, ils peuvent convertir un flux lumineux du domaine visible en signal électrique, quel que soit sa plage de longueurs d’onde. Les pixels transparents permettent donc de tirer profit du moindre flux lumineux pour former une image.
A titre de comparaison, à la réception d’un flux lumineux d’intensité homogène dans le domaine visible, un pixel transparent fourni un signal électrique environs trois fois plus grand qu’un pixel vert, bleu ou rouge d’un dispositif « RGB-IR ».
Grâce aux pixels transparents, le dispositif de capture d’image selon l’invention est donc plus sensible (plus efficace) que ceux de l’art antérieur, c’est-à-dire plus apte à acquérir des images dans des conditions d’illumination basses. Par conséquent, le dispositif de capture d’image selon l’invention permet de mettre en œuvre un système de surveillance de conducteur ne nécessitant pas de source lumineuse infrarouge supplémentaire installée dans l’habitacle du véhicule. Ce système est donc moins couteux que ceux de l’art antérieur.
D’un autre côté, lorsque les conditions d’illumination sont suffisamment élevées et que le conducteur porte alors des lunettes de soleil, les pixels infrarouges permettent de capturer des images sur lesquelles les yeux du conducteur sont visibles, ce qui rend le suivi de l’attention du conducteur plus efficace. En effet, puisque les pixels infrarouges sont moins sensibles que les pixels transparents à la lumière visible, les pixels infrarouges ne sont pas saturés par la lumière visible réfléchie par les lunettes de soleil et permettent ainsi de « voir » à travers ces dernières. En effet, les lunettes de soleil sont généralement transparentes à la lumière infrarouge.
Ainsi, le système de surveillance de conducteur selon l’invention assure la sécurité du conducteur, car les images sont de qualité suffisante quel que soient les conditions d’illumination, tout en étant peu onéreux. En contrepartie, les images acquises ne sont pas en couleurs, ce qui peut être regrettable pour des applications telles que la visioconférence.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le au moins un pixel transparent présente une efficacité quantique moyenne supérieure à 20% sur une plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm ;
- le au moins un pixel infrarouge présente une efficacité quantique moyenne inférieure à 20% sur une plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm et une efficacité quantique moyenne supérieure à 20% sur ladite plage de longueurs d’onde donnée du domaine infrarouge ;
- le dispositif présente au moins l’une des proportions suivantes : autant de pixels transparents que de pixels infrarouges, trois fois plus de pixels transparents que de pixels infrarouges, et trois fois plus de pixels infrarouges que de pixels transparents ;
- le au moins un pixel transparent et le au moins un pixel infrarouge présentent chacun une surface photosensible comprise entre 9 µm² et 25 µm².
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du système conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le système comprend un mode de fonctionnement de jour, dans lequel le système est configuré pour capturer au moins une image au moyen du au moins un pixel infrarouge, et un mode de fonctionnement de nuit, dans lequel le système est configuré pour capturer au moins une image au moyen du au moins un pixel transparent ;
- le dispositif de capture d’image est configuré pour déterminer de façon autonome des valeurs de paramètres de capture d’image et le système est configuré pour basculer entre le mode de fonctionnement de jour et le mode de fonctionnement de nuit sur la base d’au moins une desdites valeurs ;
- le système est configuré pour basculer entre le mode de fonctionnement de jour et le mode de fonctionnement de nuit sur la base d’une valeur d’au moins l’un des paramètres suivants : un gain électronique utilisé par le dispositif de capture d’image pour amplifier des signaux générés par le au moins un pixel infrarouge et le au moins un pixel transparent, un temps d’exposition utilisé par le dispositif de capture d’image, un rapport signal sur bruit d’une image capturée par le dispositif de capture d’image ;
- le système comprend en outre une unité de commande adaptée à commander un niveau d’illumination de l’habitacle du véhicule.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
 Brève description des figures
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
est une vue schématique d’un système de surveillance de conducteur selon l’invention ;
est une représentation graphique de l’efficacité quantique des pixels photosensibles du dispositif de capture d’image selon l’invention en fonction de la longueur d’onde ;
est un premier mode de réalisation d’une matrice de pixels photosensibles du dispositif de capture d’image selon l’invention ;
est un deuxième mode de réalisation d’une matrice de pixels photosensibles du dispositif de capture d’image selon l’invention ;
est un troisième mode de réalisation d’une matrice de pixels photosensibles du dispositif de capture d’image selon l’invention.
Un système de surveillance de conducteur 1 selon l’invention est représenté sur la . Le système de surveillance de conducteur 1, appelé plus succinctement par la suite « système de surveillance » 1, permet d’évaluer la vigilance du conducteur d’un véhicule automobile. Le système de surveillance 1 peut par exemple commander les freins du véhicule lorsqu’il détecte qu’un niveau de distraction ou un niveau de somnolence du conducteur est élevé, c’est-à-dire de manière générale lorsque les facultés de conduite du conducteur sont diminuées.
Le système de surveillance 1 comprend donc un dispositif de capture d’image 2. Le champ de vu du dispositif de capture d’image 2 est orienté vers la tête du conducteur, notamment de façon à capturer des images de son visage.
Comme le montre la , le système de surveillance 1 comprend aussi une unité de calcul 3 adaptée à traiter les images capturées par le dispositif de capture d’image 2 de manière à mettre en œuvre des algorithmes de surveillance classiques (par exemple la détection des directions de regard). L’unité de calcul 3 comprend ici une mémoire et un processeur. L’unité de calcul 3 peut faire partie du calculateur du véhicule ou être une unité dédiée au système de surveillance 1. Ici, l’unité de calcul 3 est aussi adaptée à commander le dispositif de capture d’image 2 et plus spécifiquement à déclencher des captures d’image.
Comme illustré en , le dispositif de capture d’image 2 comprend une matrice 4 de pixels photosensibles 41, 42. Les pixels photosensibles 41, 42 sont ici de forme carrée et présentent des côtés dont la longueur est comprise entre 3 µm et 5 µm, ce qui correspond à une surface photosensible comprise entre 9 µm² et 25 µm² par pixel photosensible 41, 42. La surface photosensible d’un pixel photosensible 41, 42 correspond à sa surface qui est adaptée à recevoir des photons afin de générer un signal électrique. Les pixels photosensibles 41, 42 sont répartis en damier tels que représentés sur les figures 3 à 5. La matrice 4 comprend par exemple un nombre de mégapixels compris entre un et deux.
Classiquement, le dispositif de capture d’image 2 comprend aussi des moyens optiques guidant la lumière vers les pixels photosensibles 41, 42 et des moyens électroniques, notamment pour traiter les signaux électriques générés par pixels photosensibles 41, 42.
Les pixels photosensibles 41, 42 sont ici plus spécifiquement soit des pixels transparents 41 soit les pixels infrarouges 42.
Chaque pixel transparent 41 est sensible à toutes les longueurs d’onde comprises dans le domaine visible. On entend ici par « domaine visible » les longueurs d’onde comprises entre environs 380 nm et environ 780 nm. Chaque pixel transparent 41 est plus particulièrement davantage sensible aux longueurs d’onde du domaine visible qu’aux longueurs d’onde hors du domaine visible. A contrario, chaque pixel infrarouge 42 présente une sensibilité accrue dans une plage de longueurs d’onde donnée du domaine infrarouge. Chaque pixel infrarouge 42 est en particulier moins sensible que les pixels transparents 41 dans le domaine visible.
Le fait que les pixels infrarouges 42 soient moins sensibles, dans le domaine visible, que les pixels transparents 41 signifie que les pixels transparents 41 convertissent plus efficacement un flux lumineux dans le domaine visible en un signal électrique que ne le font les pixels infrarouges 42.
Chaque pixel transparent 41 est adapté à convertir en électrons des photons dont les longueurs d’onde sont comprises dans le domaine visible. En d’autres termes, chaque pixel transparent 41 est adapté à convertir en électrons des photons quel que soit leur longueur d’onde dans le domaine visible.
Ici, chaque pixel transparent 41 présente une efficacité quantique, c’est-à-dire un taux de conversion des photons en électrons, supérieure à 20%, en moyenne, dans tout le domaine visible, c’est-à-dire ici sur un intervalle continu de longueurs d’onde allant de 400 nm à 780 nm. On entend ici par « moyenne » une moyenne arithmétique ou définie comme l’intégrale de l’efficacité quantique sur un intervalle de longueur d’onde divisée par la largeur dudit intervalle. Ainsi, pour certaines longueurs d’ondes particulières, l’efficacité quantique peut être inférieure à ladite valeur moyenne.
Chaque pixel transparent 41 présente plus spécifiquement une efficacité quantique supérieure à 20% pour chaque longueur d’onde du domaine visible, c’est-à-dire ici de de 400 nm à 780 nm. Ainsi, comme le montre la , l’efficacité quantique de chaque pixel transparent 41, représentée par une première courbe 51, est supérieure à 20% sur une plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm, c’est-à-dire sur un intervalle continu de longueurs d’onde allant de 400 nm à 780 nm.
La demanderesse a en effet démontré qu’une sensibilité supérieure à 20% permet d’obtenir des images dont le rapport signal à bruit est supérieur à 7 avec un flux lumineux de seulement 0,4 lux. Le dispositif de capture d’image 2 permet donc d’obtenir des images de qualité suffisante pour implémenter les algorithmes de surveillance, même dans des conditions d’illumination basses.
De préférence, l’efficacité quantique de chaque pixel transparent 41 est supérieure à 30% sur la plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm. Comme le montre la , l’efficacité quantique de chaque pixel transparent 41 est ici plus spécifiquement comprise entre 40% et 75% sur la plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm.
De façon générale, plus l’efficacité quantique des pixels transparents 41 est grande, plus leur surface photosensible peut être petite. Pour une taille donnée, la matrice 4 peut alors contenir plus de pixels photosensibles 41, 42 et produire des images de plus grande résolution.
Puisqu’ils sont sensibles à toutes les longueurs d’onde du domaine visible, les pixels transparents 41 permettent de former des images en noir et blanc, c’est-à-dire des images en niveaux de gris. Les images formées au moyen des pixels transparents 41, classiquement par interpolation, sont appelées par la suite « images visibles ».
Pour être sensible à l’ensemble des longueurs d’onde du domaine visible, chaque pixel transparent 41 comprend ici surface photosensible en silicium devant laquelle aucun filtre optique n’est disposé. Cela signifie que la lumière issue du champ de vu du dispositif de capture d’image 2 traverse uniquement des éléments optiques transparents qui ne modifient ou très peu son contenu fréquentiel de la lumière visible.
A l’inverse, chaque pixel infrarouge 42 comprend surface photosensible en silicium, qui est ici identique à celle des pixels transparents 41, devant laquelle un filtre optique infrarouge est disposé. Ici, chaque filtre optique infrarouge transmet les longueurs d’onde supérieures à 780 nm et bloquent en partie celles inférieures à 780 nm. Chaque filtre optique infrarouge est ainsi un filtre passe-haut dont la longueur d’onde de coupure est comprise entre 750 nm et 800 nm. Au-delà, de 780 nm, l’efficacité quantique des pixels transparents 41 et des pixels infrarouges 42 est donc similaire, comme illustré en .
Comme cela apparait en , chaque pixel infrarouge 42 est ainsi plus sensible dans le domaine proche infrarouge que dans le domaine visible. Ici, chaque pixel infrarouge 42 présente une efficacité quantique moyenne supérieure à 20% de 800 nm à 850 nm tandis qu’il présente une efficacité quantique moyenne inférieure à 20% sur la plage de longueurs d’onde précitée s’étendant de 400 nm à 780 nm. Chaque pixel infrarouge 42 présente plus spécifiquement une efficacité quantique, représentée par une deuxième courbe 52, supérieure à 20% pour chaque longueur d’onde du domaine infrarouge s’étendant de 800 nm à 850 nm, c’est-à-dire sur un intervalle continu de longueurs d’onde allant de 800 nm à 850 nm, tandis qu’il présente une efficacité quantique inférieure à 20% pour chaque longueur d’onde de 400 nm à 780 nm. De 800 nm à 850 nm, les pixels infrarouges présentent même une efficacité quantique supérieure à 30%.
Comme le montre la , chaque pixel infrarouge 42 peut présenter une efficacité quantique supérieure à 20% sur une plage de longueurs d’onde s’étendant de 790 nm à 900 nm. Ainsi, la plage de longueur d’onde donnée du domaine infrarouge, dans laquelle les pixels infrarouges 42 sont plus sensibles que dans le domaine visible, s’étend ici d’une première longueur d’onde comprise entre 780 nm et 800 nm jusqu’à une deuxième longueur d’onde comprise entre 900 nm et 950 nm.
En variante, les filtres optiques infrarouges peuvent aussi être plus absorbant dans le domaine visible de sorte que les pixels infrarouges présentent une efficacité quantique inférieure à 15% ou 10% dans le domaine visible.
Les pixels infrarouges 42 permettent de former des images infrarouges, elles aussi en niveaux de gris, à partir de longueurs d’onde globalement comprises entre 780 nm et 900 nm. Les images formées au moyen des pixels infrarouge, classiquement par interpolation, sont appelées par la suite « images infrarouges ».
Au sein de la matrice 4, les pixels transparents 41 et les pixels infrarouges 42 sont répartis en alternance selon un motif 45. Le motif 45 est répété de façon à former l’ensemble de la matrice 4. Comme le montrent les figures 3 à 5, le motif 45 comprend ici seize pixels photosensibles 41, 42 formant un carré de quatre pixels photosensibles 41, 42 de côté.
Dans un premier mode de réalisation du motif 45 représenté en , le motif 45 comprend autant de pixels transparents 41 que de pixels infrarouges 42. Les pixels transparents 41 et les pixels infrarouges 42 sont alternés à la fois en ligne et en colonne. Chaque pixel infrarouge 42 (qui n’est pas situé en bordure de la matrice 4) est ainsi adjacent par ses quatre côtés à quatre pixels transparents 42 et inversement.
Ce premier mode de réalisation permet d’obtenir des images visibles et des images infrarouges de résolution identique. Ce premier mode de réalisation est avantageux lorsque le dispositif est destiné à fonctionner autant de jour que de nuit.
Dans un deuxième mode de réalisation du motif 45 représenté en , le motif 45 comprend trois fois plus de pixels infrarouges 42 que de pixels transparents 41. Les pixels transparents 41 et les pixels infrarouges 42 sont alternés uniquement une ligne sur deux, les autres lignes ne comprenant que des pixels infrarouges 42 (le terme « ligne » est interchangeable avec celui de « colonne »). Chaque pixel transparent 41 (qui n’est pas situé en bordure de la matrice 4) est ainsi adjacent par ses quatre côtés à quatre pixels infrarouges 42 et par ses quatre coins à quatre autre pixels infrarouges 42.
Ce deuxième mode de réalisation permet d’obtenir des images infrarouges de résolution supérieure, ici trois fois supérieure, aux images visibles. Ce deuxième mode de réalisation est avantageux lorsque le dispositif est destiné à fonctionner davantage de jour que de nuit.
Dans un troisième mode de réalisation du motif 45 représenté en , le motif 45 comprend trois fois plus de pixels transparents 41 que de pixels infrarouges 42. Les pixels transparents 41 et les pixels infrarouges 42 sont alternés uniquement une ligne sur deux, les autres lignes ne comprenant que des pixels transparent 41 (le terme « ligne » est interchangeable avec celui de « colonne »). Chaque pixel infrarouge 42 (qui n’est pas situé en bordure de la matrice 4) est ainsi adjacent par ses quatre côtés à quatre pixels transparents 41 et par ses quatre coins à quatre autre pixels transparents 41.
Ce troisième mode de réalisation permet d’obtenir des images visibles de résolution supérieure, ici trois fois supérieure, aux images infrarouges. Ce deuxième mode de réalisation avantageux lorsque le dispositif est destiné à fonctionner davantage de nuit que de jour. Dans des conditions d’illumination faibles, par exemple de nuit, la résolution du dispositif de capture d’image 2 est aussi supérieure à celle des premier et second modes de réalisation.
Le système de surveillance 1 est ici configuré pour basculer entre un mode de fonctionnement de jour, appelé « mode jour », et un mode de fonctionnement de nuit, appelé « mode nuit ».
Le mode jour est utilisé lorsque le niveau d’illumination, i.e. la luminosité, dans l’habitacle du véhicule est élevé, par exemple de jour quand les rayons du soleil pénètrent dans l’habitacle. Lorsque le système de surveillance 1 fonctionne en mode jour, le dispositif de capture d’image 2 acquière des images infrarouges grâce aux pixels infrarouges 42. Le système de surveillance 1 est alors efficace même lorsque le conducteur porte des lunettes de soleil. De plus, les algorithmes de surveillances sont généralement plus adaptés aux images infrarouges. Le mode jour est ainsi préférentiel lorsque les conditions d’illumination le permettent.
Le mode nuit est utilisé lorsque le niveau d’illumination, i.e. la luminosité, dans l’habitacle du véhicule est faible, par exemple de nuit quand la lumière provient seulement du tableau de bord ou de l’éclairage publique. Le mode nuit peut aussi être utilisé de jour lorsque le ciel est particulièrement sombre (nuages, brouillard, éclipse, etc..). Lorsque le système de surveillance 1 fonctionne en mode nuit, le dispositif de capture d’image 2 acquière des images visibles grâce aux pixels infrarouges 42. Toute la lumière visible disponible est alors mise à profit, ce qui permet au système de surveillance d’être efficace.
Le basculement entre les modes jour et nuit, c’est-à-dire la détermination du mode de fonctionnement du dispositif de capture d’image 2, est ici effectué par l’unité de calcul 3.
Ce basculement est par exemple effectué sur la base d’une valeur d’un rapport signal à bruit d’une image, infrarouge ou visible, acquise par le dispositif de capture d’image 2. La valeur du rapport signal à bruit des images est par exemple calculée par l’unité de calcul 3 qui détermine ensuite le mode de fonctionnement de sorte que cette valeur soit toujours supérieure à une première valeur seuil, par exemple comprises entre 7 et 10 ou entre 25 et 30. Ainsi, lorsque le dispositif de capture d’image 2 est en train de fonctionner en mode jour, l’unité de calcul 3 peut basculer le dispositif de capture d’image 2 en mode nuit lorsque la valeur du rapport signal à bruit devient inférieure à la première valeur seuil. Inversement, lorsque le dispositif de capture d’image 2 est en train de fonctionner en mode nuit, l’unité de calcul 3 peut basculer le dispositif de capture d’image 2 en mode nuit lorsque la valeur du rapport signal à bruit devient supérieure à une deuxième valeur seuil qui est de préférence supérieure la première valeur seuil, par exemple comprise entre 10 et 15.
Toutefois, la détermination du mode de fonctionnement est de préférence effectuée sur la base de paramètres de capture d’image représentatifs de conditions internes au dispositif de capture d’image 2 lors de la capture d’image. En pratique, les paramètres de capture d’image comprennent un gain électronique, un temps d’exposition et, éventuellement, une ouverture du diaphragme du dispositif de capture d’image 2. Le gain électronique est utilisé par le dispositif de capture d’image 2 pour amplifier des signaux générés par les pixels photosensibles 41, 42. Il permet d’augmenter le signal au détriment du bruit. Le temps d’exposition représente le temps d’intégration de la lumière par les pixels photosensibles 41, 42.
Ici, le gain et le temps d’exposition sont asservis dans le sens où le dispositif de capture d’image 2 détermine leur valeur de façon autonome en fonction des conditions d’illumination. Généralement, les valeurs des paramètres de capture d’image augmentent lorsque la luminosité ambiante diminue.
L’unité de calcul 3 accède aux valeurs de ces paramètres de capture d’image pour déterminer le mode de fonctionnement du dispositif de capture d’image 2. Par exemple, lorsque le dispositif de capture d’image 2 est en train de fonctionner en mode jour, l’unité de calcul 3 peut basculer le dispositif de capture d’image 2 en mode nuit lorsque la valeur du gain et/ou la valeur du temps d’exposition sont supérieures respectivement à une troisième valeur seuil et/ou à une quatrième valeur seuil. Inversement, lorsque le dispositif de capture d’image 2 est en train de fonctionner en mode nuit, l’unité de calcul 3 peut basculer le dispositif de capture d’image 2 en mode jour lorsque la valeur du gain et/ou la valeur du temps d’exposition sont inférieures respectivement à une cinquième valeur seuil et/ou à une sixième valeur seuil. Les quatrième et sixième valeurs seuil peuvent être égales et par exemple comprises entre 30 et 40 millisecondes. Les troisième et cinquième valeurs seuil peuvent aussi être égales et par exemple comprises entre 8 et 24. Toutefois, il est possible de mettre en place une hystérésis, pour éviter des basculements intempestifs autour des valeurs seuil, par exemple avec une troisième valeur seuil égale à 24 et une cinquième valeur seuil égale à 8. Une hystérésis peut aussi être mise en place en différenciant les quatrièmes et sixième valeurs seuil.
Ici, le mode de fonctionnement le plus adapté en fonction des valeurs des paramètres de capture d’image est déterminée de façon expérimentale à travers une série de tests. Au cours de ces tests, la qualité des images acquise est évaluée (par exemple via un rapport signal à bruit) en faisant varier les conditions d’illumination. Il est alors possible de déterminer les valeurs seuil précités de valeurs en définissant des seuils de qualité des images acquises. Il est aussi possible, en enregistrant les paires de valeurs de gain et de temps d’exposition, de constituer un tableau à double entrée gain/temps d’exposition qui indique le mode dans lequel le dispositif de capture d’image 2 doit fonctionner. Ce tableau à double entrée est alors enregistré sur la mémoire de l’unité de calcul 3. Ainsi, l’unité de calcul 3, en accédant au gain et au temps d’exposition, détermine le mode de fonctionnement grâce à ce tableau.
Le système de surveillance 1 peut aussi comprendre une unité de commande (non représenté) adaptée à commander un niveau d’illumination de l’habitacle du véhicule. L’unité de commande est par exemple adaptée à commander l’intensité du rétro-éclairage du tableau de bord ou celle des plafonniers. L’unité de commande peut ainsi augmenter légèrement le niveau d’illumination de l’habitacle pour améliorer la qualité des images visibles.
La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention. Par exemple, il est possible d’intégrer au sein de la matrice, en plus des pixels transparents et infrarouges, des pixels couleurs sensibles uniquement à certaines plages de longueurs d’onde du domaine visible correspondant typiquement à une lumière soit rouge, soit verte, soit bleue.

Claims (10)

  1. Dispositif de capture d’image (2) comprenant :
    - au moins un pixel transparent (41) qui est sensible à toutes les longueurs d’onde comprises dans le domaine visible ; et
    - au moins un pixel infrarouge (42) qui est moins sensible que le pixel transparent (41) aux longueurs d’onde comprises dans le domaine visible et qui est sensible à une plage de longueurs d’onde donnée du domaine infrarouge.
  2. Dispositif (2) selon la revendication 1, dans lequel le au moins un pixel transparent (41) présente une efficacité quantique moyenne supérieure à 20% sur une plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm.
  3. Dispositif (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le au moins un pixel infrarouge (42) présente une efficacité quantique moyenne inférieure à 20% sur une plage de longueurs d’onde s’étendant de 400 nm à 780 nm et une efficacité quantique moyenne supérieure à 20% sur ladite plage de longueurs d’onde donnée du domaine infrarouge.
  4. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 3, présentant au moins l’une des proportions suivantes :
    - autant de pixels transparents (41) que de pixels infrarouges (42) ;
    - trois fois plus de pixels transparents (41) que de pixels infrarouges (42) ; et
    - trois fois plus de pixels infrarouges (42) que de pixels transparents (41).
  5. Dispositif (2) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le au moins un pixel transparent (41) et le au moins un pixel infrarouge (42) présentent chacun une surface photosensible comprise entre 9 µm² et 25 µm².
  6. Système de surveillance (1) d’un conducteur d’un véhicule automobile comprenant un dispositif de capture d’image (2) selon l’une des revendications 1 à 5.
  7. Système (1) selon la revendication 6, comprenant un mode de fonctionnement de jour, dans lequel le système (1) est configuré pour capturer au moins une image au moyen du au moins un pixel infrarouge (42), et un mode de fonctionnement de nuit, dans lequel le système est configuré pour capturer au moins une image au moyen du au moins un pixel transparent (41).
  8. Système (1) selon la revendication 7, dans lequel le dispositif de capture d’image (2) est configuré pour déterminer de façon autonome des valeurs de paramètres de capture d’image (2) et dans lequel le système (1) est configuré pour basculer entre le mode de fonctionnement de jour et le mode de fonctionnement de nuit sur la base d’au moins une desdites valeurs.
  9. Système (1) selon la revendication 7 ou 8, configuré pour basculer entre le mode de fonctionnement de jour et le mode de fonctionnement de nuit sur la base d’une valeur d’au moins l’un des paramètres suivants : un gain électronique utilisé par le dispositif de capture d’image (2) pour amplifier des signaux générés par le au moins un pixel infrarouge (42) et le au moins un pixel transparent (41), un temps d’exposition utilisé par le dispositif de capture d’image (2), un rapport signal sur bruit d’une image capturée par le dispositif de capture d’image (2).
  10. Système (1) selon l’une des revendications 6 à 9, comprenant en outre une unité de commande adaptée à commander un niveau d’illumination de l’habitacle du véhicule.
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