Capteurs

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Capteurs

Capteurs
Cours #1 : Capteurs 2D CCD
Par : Bernard Besserer
Terminologie
Dimensions / Taille de l’image
– largeur x hauteur en pixels,
par exemple 640 x 480 ou 1920 x 1080
Résolution
– points par pouce (dpi : dots per inch)
en relation avec la taille d’origine du document
Profondeur
– nbre de bits par pixel, par exemple 24 bits/pixel
(224 = 16 millions de nuances de couleurs)
Dynamique
– nbre de bits par composante, par exemple 8 bits par
composante = 256 valeurs possibles
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Représentation en monochrome

Binaire
– pixels : noir / blanc
Niveaux de gris
– Monochrome : noir Î blanc avec
des niveaux intermédiaires
– Les caméras fournissent des
grandeurs analogiques
– L'échantillonnage est possible sur
8, 10, … 16 bits
– Souvent Max. 256valeurs
discrètes
00
0
1
255
3
Acquisition : matriciel vs linéaire
Avec un capteur CCD matriciel
– Avec un capteur CCD matriciel
(camescope, appareil photo numérique)
– Avec 3 capteurs CCD matriciels
(camescope pro)
Avec un capteur CCD linéaire
– (Scanner à plat, scanner film), en 1 ou en 3 passes
– Pour inspecter des parois de produit cylindrique tel que
des tuyaux, des boîtes de conserve, des bouteilles
Capteur
Capteur
Document
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Document
Acquisition
Capteurs CCD : photons (la lumière)

Î
électrons (charge électrique)
Discrétisation + Quantification
Caméra, Appareil photo numérique, Caméscope,
Satellite de télédétection
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Principes d'un capteur CCD
La matrice CCD est constitué de puits de

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potentiel.
Ces puits de potentiels capturent les électrons
créés par les photons.
Principes d'un capteur CCD
La principale difficulté est dans la lecture de la
matrice. Elle s'effectue séquentiellement.
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Lecture des informations

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Exemple de lecture des
charges
Transfert des charges

Le transfert des
charges est appelé
bucket brigade
(chaîne de seau).

Il faut évacuer les
charges électronique
"sans les mélanger"
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CDD 3 phases
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CCD 2 phases
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Animation du transfert de charges
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Artefacts des capteurs CCD
La rémanence (LAG)
– pour les sites photosensibles type photodiode :
impossibilité de lire toutes les charges en même temps.
L’information persiste pendant 2 à 3 cycles de lecture.
Le traînage vertical (Smearing)
– L'effet de "Smearing" apparaît au moment du transfert
lorsqu'un puits de potentiel passe dans une zone
suréclairée. L'erreur due a ce phénomène dépend de
l’intensité lumineuse et du temps ou le puits de
potentiel se trouve dans cette zone. Cette
caractéristique est particulièrement visible sur des
images à forts contrastes (image d’une lumière
infrarouge par exemple).
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Le traînage vertical
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Types de capteurs CCD : intertrame

On distingue les CCD pleine trame et les
CCD à mémoire de trame.
– Les CCD pleine trame sont pourvus d'une
fenêtre qui accepte la lumière sur tous les
photoéléments alors qu'un CCD à
mémoire de trame est coupé en deux par
un masque d'aluminium qui sert de
mémoire à l'image.
– Le timing fourni au capteur CCD permet
de transférer très vite l'image dans la zone
masquée. L'image est alors lue à la
"fréquence vidéo" tandis que la nouvelle
image est capturée dans la zone exposée.
– Capteur idéal pour une bonne définition
d'image (pixels jointifs).
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Types de capteur CCD : interlinge

Il existe aussi des capteurs
à transfert de ligne.
– Une zone masqué existe
entre chaque ligne (ou
colonne) de l'image.
– Sur un seul top, toutes les
lignes de toute l'image
sont transférées dans la
zone masquée.
– La lecture est effectué à la
cadence vidéo, pendant
que la nouvelle image est
intégrée.
– Attention : pixels non
jointifs. Mais bonne
caractéristique dynamique
(capture d'images en
mouvement)
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Transfert des charges en 4 étapes
direction du décalage
signal de sortie analogique
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Architecture des capteurs CCD
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Conformité avec la TV analogique

La plupart des caméras respectent
les normes vidéo analogiques
(généralement PAL) :
– 25 images/sec, entrelacement
(donc 50 trames/sec), 625 lignes
dont 575 sont visibles.
– Il faut pouvoir brancher
directement un moniteur de
contrôle
– Il faut pouvoir enregistrer le signal
sur un magnétoscope
– Une carte d'acquisition numérise le
signal si l'image doit être traité sur
ordinateur…
Les paramètres de l’image acquise
peut differer de l’image capturée
par le CCD
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Entrelacement des images

L'entrelacement
est gênant pour le
traitement
d'image si il y a
mouvement.

Très souvent,
l'acquisition
même de l'image
est
effectué en mode
entrelacé
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Caméra à sortie numérique
– Il existe des caméras intégrant l'ensemble de l'image à
l'instant T (mode progressif) et transmettant les trames
successivement
– Il existe des caméras 100% progressives
• Changer d'interface… une interface numérique s'impose
(IEEE 1394, CameraLink, USB2)
• La présence d'une interface numérique ne signifie pas que
les images sont produites en mode progressif !
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Représentation en couleurs

Couleurs
– Trichromacité : 3 plans,
composantes, canaux
– Couleurs réelles (True
colors) : 16 millions
Il faut que le capteur
décompose l'information
sur au moins 3 canaux.
Il existe des caméras
multispéctrales
Couleurs indexées
– Palette
– Max. 256 couleurs
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Acquisition 3CCD
Séparer les composantes avec des filtres :
Caméra professionnelle tri-tube ou tri CCD
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Acquisition couleur monocapteur

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Pour faire de la
couleur avec un
seul capteur CCD,
les éléments
sensibles sont
recouvert d’une
mosaïque : le
filtre de Bayer

L’image est transférée
séquentiellement hors de la
matrice CCD. La « fabrication » de
l’image couleur est effectué par
l’électronique de la caméra. Cette
opération est appelé Demosaicing
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Les artéfacts du filtre de
Bayer : aliasing couleur.

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Un filtre passe bas optique
est donc placé sur le filtre de
Bayer = l’image est donc
rendue « floue »
La résolution réelle de l’image
couleur est inférieure a celle
du nombre de pixels du
capteur CCD