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Article de référence | Réf : R6733 v1

Imagerie numérique ultrarapide

Auteur(s) : Pierre SLANGEN, Nicolas LONG, Pascal PICART

Date de publication : 10 juin 2016

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RÉSUMÉ

L’acquisition ultrarapide d’images assiste utilement l’œil humain et permet d’analyser le phénomène en laboratoire et dans l’industrie. Depuis l’avènement des caméras numériques à mémoire embarquée, des vitesses de 25000 images/s sont aujourd'hui atteintes au format mégapixel et même 106 images/s en décimant la résolution. Ces cadences folles sont permises en pleine résolution en utilisant des sites de stockage proches de l’image active, mais seulement pour quelques centaines d’images. La réponse des capteurs à une sollicitation lumineuse doit être très élevée et autorise ainsi des temps d’obturation très courts. Les progrès réalisés, en architecture des capteurs et en gestion de la mémoire de stockage, optimisent la bande passante pour le transfert de l’information… à pleine vitesse.

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ABSTRACT

Ultra High Speed Digital Imaging

High-speed imaging records images at much higher rates than the human eye. This allows the prompt analysis of phenomena in the laboratory or the industrial plant. Since the advent of digital onboard memory cameras (CCD and CMOS), recording rates of up to 25000 FPS have been reached for megapixel format. Decimating resolution allows one million frames per second. These stupendous rates are permitted at full resolution using storage sites close to the active image, but only for a few hundred images. The response of the sensors to light must be very high, and thus permits very short shutter time. Progress in architecture of the sensors and storage management is optimizing bandwidth for the transfer of information at top speed.

Auteur(s)

  • Pierre SLANGEN : Professeur - École des mines d’Alès, laboratoire du Génie de l'environnement industriel – Institut des sciences des risques, Alès, France

  • Nicolas LONG : Ingénieur expert en imagerie rapide et traitements d’images associés - Les Prés, Concoules, France

  • Pascal PICART : Professeur - ENSIM – École nationale supérieure d'ingénieurs du Mans, LAUM – laboratoire d'Acoustique de l'université du Maine, Le Mans, France

INTRODUCTION

Le but des capteurs d’images est de retranscrire, le plus fidèlement possible, l’image d’un objet éclairé, ou d’une source lumineuse, formée par un système optique adéquat. Dans le cadre précis de l'imagerie numérique ultrarapide, la contrainte supplémentaire est d'effectuer cette opération de numérisation de l'image reçue en des temps très courts. La priorité est donc de disposer de capteurs électroniques très « sensibles », afin d'atteindre un rapport signal sur bruit satisfaisant en des temps d'exposition courts, et de pouvoir « rafraîchir » l'image le plus rapidement possible pour accueillir la vue suivante sur le capteur d'images. Pour des temps d'exposition extrêmement courts, de l'ordre de la nanoseconde, il est encore requis de placer des amplificateurs de lumière devant le capteur semi-conducteur. Ceci entraîne souvent une chute de la résolution spatiale des images, directement liée au gain temporel réalisé. Le capteur rapide est donc principalement caractérisé par sa fréquence (ou vitesse) d'acquisition en images/s (ou fr/s). Parmi les principaux types de semi-conducteurs utilisés, nous nous attacherons principalement à décrire les deux grandes familles de capteurs opto-électroniques utilisés de nos jours : les capteurs CCD et les capteurs CMOS, et leurs variantes :

  • CCD (Charge Coupled Device), qui réalise les opérations de collection, transfert et conversion de la charge électrique générée par les photons incidents ;

  • CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor), qui réalise les opérations de collection et conversion sur le site de collection de la charge générée par les photons incidents.

Dépasser les limites de l'acquisition rapide d'images (sensibilité, compromis résolution-fréquence et nombre total d'images acquises) est le défi constant pour les concepteurs, qui doivent rivaliser d'astuces technologiques pour augmenter les performances atteintes. Deux grandes catégories de caméras rapides émergent depuis 15 ans : caméras CMOS et caméras CCD à stockage sur site. Si les premières sont de pures avancées technologiques des capteurs CMOS standards couplées à des techniques de transferts rapides à bord d'une mémoire interne à large bande passante, les secondes sont en progrès constants et permettent d'acquérir et de transférer très rapidement une image vers un site de stockage géographiquement très proche, au sens du chip électronique, de son lieu de collection (l'image active). Ainsi, des techniques hybrides utilisant des processus proches du fonctionnement du CMOS sont mises en œuvre à bord d'une technologie CCD. La seule limite réside en la vitesse de déplacement des électrons à bord des sites de collection et de stockage.

Ces caméras doivent répondre à un ensemble précis de spécifications techniques, actuellement définies par les utilisateurs et les fabricants. Elles sont notamment décrites par la European Machine Vision Association, sous l'appellation EMVA1288. Nous aborderons différents points relatifs à ces descripteurs, parmi lesquels la sensibilité, la linéarité, la fonction de transfert de modulation ainsi que quelques défauts régulièrement rencontrés. La comparaison des caméras numériques avec les caméras à film a également entraîné la définition du standard de sensibilité équivalente ISO 12232 pour les caméras numériques, avec quelques difficultés liées à la bonne volonté des fabricants dans sa mise en application.

L'utilisation des caméras rapides est fortement croissante, pour des applications qui privilégient le besoin de ralenti ou décomposition temporelle. Il n'est pas toujours nécessaire de courir à la plus haute fréquence d'acquisition, sachant que la contrainte budgétaire et les compromis techniques incontournables sont souvent des arguments supplémentaires. Le dernier cri en acquisition rapide se négocie au-delà des 100 k€ ! Il est souvent obligatoire de réaliser un compromis vitesse/résolution/capacité lors de l'achat du système d'acquisition rapide.

Les systèmes d'analyse de mouvement sont en plein essor et permettent une décomposition fine, notamment dans le domaine sportif. La sécurité automobile fait couramment appel à l'acquisition rapide d'images, que ce soit en cas de crash test de véhicules à quelques milliers d'images par seconde, ou pour aider à la conduite en suivant des motifs à quelques centaines d'images par seconde. L'industrie de la défense en fait un usage intensif pour des raisons évidentes.

Mais le domaine de prédilection de l'imagerie rapide est la mécanique. En mécanique des solides, et notamment en mécanique de la rupture, où sont désormais atteints des niveaux de ralenti et de décomposition inégalés jusqu'alors, ou en mécanique des fluides, où l’on peut distinguer et suivre des particules dans des écoulements supersoniques. Tous ces moyens donnent aux scientifiques et aux ingénieurs la possibilité d'étudier finement les matériaux et les systèmes du futur.

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KEYWORDS

CMOS   |   motion capture   |   CCD   |   semiconductor   |   Image sensors   |   time resolved

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r6733


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - HOLST (G.C.), LOMHEIM (T.S.) -   CMOS/CCD Sensors and Camera Systems.  -  SPIE Press 2nd edition (15 may 2011).

  • (2) - RAY (S.F.) -   High speed photography and photonics.  -  SPIE Press (1997).

  • (3) - DURINI (D.) (ed.). -   High Performance Silicon Imaging : Fundamentals and Applications of CMOS and CCD sensors.  -  Elsevier (2014).

  • (4) - ETOH (T.) -   A high-speed video camera operating at 4,500 fps.  -  ITE J., 46, 543-545 (en langue japonaise) (1992).

  • (5) - MENDIS (S.), KEMENY (S.E.), FOSSUM (E.R.) -   CMOS active pixel image sensor.  -  IEEE transactions on Electron Devices, vol. 41, n° 3, p. 452-453 (1994).

  • (6) - ETOH (T.G.), POGGEMANN (D.), RUCKELSHAUSEN (A.), THEUWISSEN (A.), KREIDER (G.), FOLKERTS (O.-H.), MUTOH (H.), KONDO (Y.), MARUNO (H.), TAKUBO (K.) et...

1 Sites Internet

Cours UNIT (Université numérique en ingénierie et technologie), OPI (optique pour l’ingénieur) « M7G4 Principes de base des capteurs d'images », http://optique-ingenieur.org/fr/cours/OPI_fr_M05_C06/co/OPI_fr_M05_C06_web.html SD association (page consultée mars 2015)

Linkemann J., Weber B., « WHITE PAPER : Global Shutter, Rolling Shutter – Functionality and Characteristics of Two Exposure Methods (Shutter Variants) », Basler AG, Germany, http://www.baslerweb.com (jan 2014)

https://blogrecherche.wp.mines-telecom.fr/2015/03/24/les-pollutions-marines-sous-loeil-des-cameras-ultrarapides/

https://hisians.wp.mines-telecom.fr/ : techniques optiques et imagerie rapide

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