Caracteristiques cameras
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Les Caractéristiques des Caméras v2 de l'IGN

   Par rapport à la caméra de première génération, tout à été remis à plat : électronique, mécanique et racks informatiques.

    Avant de rentrer plus en détails dans la description des caractéristiques des caméras voici un tableau synthétique :

Taille du CCD
7216 x 5412 pixels, Kodak KAF-39000
Taille du pixel
6.8µm x 6.8µm
Puits de potentiel max. des pixels
60 000 électrons
Dynamique
2000 - 3000
Bruit
1.2 niveau de gris rms
Résolution Radiométrique
12 bits / canal
Cadence d'acquisition
1 image / 2s
Pixel sol stéréoscopique minimum
9 cm (recouvrt = 60%, v = 100 m/s)
4.5 cm en configuration 8 têtes
Capacité de stockage
illimitée (disques de 500 Go amovibles à chaud)
Compensation de filé
électronique par TDI (Time delayed integration) avec précision d'un ½ pixel
longueurs focale
45, 55, 60, 65, 70, 80, 90, 100, 105, 120, 135, 150, 210 mm
Obturateur
Rollei Electronic Shutter (size 0.)
Vitesse d'obturation
3 ms minimum (1/300 ème de seconde), pas de limite haute
Contrôle du temps de pose
Oui, par une photodiode dans la chambre noire
Précision de la synchronistaion
<10 µs

Un nouveau CCD
 Les caméras v2 de l'IGN sont développées autour du CCD matriciel Kodak KAF-39000. C'est un capteur de 7216 colonnes par 5412 lignes de pixels de 6.8 µm de côté. Le KAF-39000 existe également dans une version Bayer couleur dont nous avons un exemplaire qui nous a permis de développer notre électronique alors que la version monochrome du CCD était encore en cours de fabrication. KAF-39000
    Le choix s'est porté sur ce CCD parce que c'était celui qui proposait la plus large fauchée à l'époque du lancement du projet. Depuis, un CCD 50 Mpixels est proposé par Kodak (Kodak KAF-50100) mais le faible gain en terme de nombre de colonnes (8304 contre 7216) ne motive pas une mise à jour de la Caméra v2.

    Le KAF-39000 a la particularité, par rapport au KAF-16801, de se lire "par les 2 côtés" : il y a en fait deux registres de lecture et on lit donc simultanément 2 demi-images gauche et droite. Notre électronique permet de lire le CCD à 20MHz et on a donc un temps de vidage du CCD de l'ordre de 1s c'est-à-dire deux fois plus court que celui du KAF-16801 à 8MHz. Cette structure à deux registres de sortie impose par contre une étape supplémentaire d'étalonnage radiométrique pour l'égalisation fine des 2 demi-images constituant l'image finale.

    Malgré une section de pixel nettement plus petite que pour le KAF-16801 (46 au lieu de 81 µm2), le puits de potentiel des pixels est de 60000 électrons soit un potentiel légèrement supérieur à celui de son prédécesseur. Toutefois, il faut poser plus longtemps pour parvenir à la même dynamique d'acquisition. On peut tabler alors sur les mêmes caractéristiques que la première génération de caméra c'est-à-dire : une dynamique supérieure à 2000 niveaux de gris nous conduisant à numériser chaque pixel image sur 12 bits.

La conception mécanique et électronique

    L'électronique d'une tête de caméra se décompose en 6 cartes électroniques pouvant être montées indifféremment dans les 2 corps mécaniques (courte et longue focale) ; en effet, seule la longueur de quelques nappes reliant les cartes entre elles va varier suivant le design mécanique. Toutes ces cartes sont à montages de surface, le LOEMI s'est doté d'une station de placement CMS et d'un four pour la fusion des cartes ; la fabrication des cuivres nus est sous-traitée.

carte électronique CMS
Aperçu d'une face d'une des cartes de la caméra (de g. à dr. le pochoir servant à mettre la pâte à braser, la carte câblée et le cuivre nu)

    La conception électronique et la conception mécanique ont du être menées de front afin de choisir des composants compatibles en hauteur avec la place autorisée par les dessins mécaniques.

    Du point de vue du fonctionnement de l'électronique, nous avons conservé la méthode du double échantillonnage corrélé pour la conversion analogique-numérique, nous conservons la compensation de filé électronique et nous avons conservé le choix de l'obturateur Rollei Electronic shutter Size 0. compatible avec une large gamme d'optiques Rodenstock et Schneider. Quelques nouveautés peuvent être citées :

- la commande de l'obturateur a été modifiée avec un étage de condensateurs pour l'ouverture et un étage de condensateurs pour la fermeture (auparavant un seul condensateur assurait les 2 fonctions et avait du mal à se recharger entre deux sollicitations trop rapprochées).
-  une photodiode placée dans la chambre noire et orientée vers le CCD nous permet de contrôler a posteriori le temps de pose réellement pratiqué par l'obturateur.
- un soin particulier a été apporté à la génération des alimentations localement à certaines cartes lorsque cela s'imposait pour limiter les sources de bruit
- au niveau de la synchronisation des têtes de caméras : c'est le centre des temps de pose qui est synchronisé

    Les optiques suivantes ont déjà été utilisées sur nos caméras v2 : Rodenstock 45mm, 55mm, 60mm, 65mm, 70mm, 90mm, 105mm, 135 mm, Schneider 80mm, 120 mm.

optique
Exemples d'un 60mm et d'un 120mm montés en face avant de nos têtes de caméras

    La liaison avec le rack d'acquisition est une liaison CameraLink "standard" utilisable avec des cartes d'acquisition disponibles sur étagère. Au niveau de la tête de caméra, chaque pixel numérisé sur 12 bits est concaténé avec son symétrique de l'autre demi-image, ainsi les 2 pixels lus en même temps sont mis sur 3 octets. L'image brute ainsi envoyée au rack "pèse" 60 Mo (au lieu de 80 Mo avec l'ancien format THOM).

    Au niveau des connexions des têtes de caméras vers l'extérieur on a :
- un connecteur LEMO 10 contacts acheminant l'alimentation (GND et 12V) et les signaux de syncronisation depuis le boîtier d'alimentation-synchronisation reliant toutes les têtes de caméras.
- le connecteur CameraLink permettant la communication entre le rack et la caméra (liaison série) et permettant l'envoi de l'image au rack.

    A l'arrière de la tête de caméra, un petit écran LCD géré par le processur de la caméra permet d'avoir des informations sur le statut de la caméra, sur l'objectif qui lui est associé et sur son obturateur. Cet écran peut également nous retourner des messages d'erreur ou des alarmes liées à des dysfonctionnements. La couleur de l'éclairage de fond du LCD est programmable et permet de distinguer facilement le rôle d'une caméra par rapport à celui d'une autre.

    Pour le cerveau de la caméra, notre choix s'est porté sur un Cyclone II FPGA (Field-Programmable gate array) fabriqué chez ALTERA. Dans cet FPGA, on a programmé les circuits nécessaires pour la génération des horloges du CCD et on a programmé un processeur NIOS II pour la gestion de la caméra.

Le rack d'acquisition

    Depuis le début des années 1990, date des choix techniques faits pour la première génération de caméras, l'informatique a énormément progressé. Afin d'être sûr d'avoir une intégration optimale du matériel le plus performant possible dans le plus petit volume possible, nous avons opté pour la sous-traitance du hardware. L'équipe projet pourrait se concentrer sur la programmation.
rack informatique
    Les racks informatiques sont des chassis 1U dans lesquels on trouve une carte PC, 2 réceptacles pour des disques amovibles SATA, une carte compact flash fixe sur laquelle se trouve l'OS (Operating System) et les applications logicielles, un bus PCI, un écran LCD en panneau avant avec un petit clavier de commande et les entrées/sorties usuelles (VGA, ethernet, liaison série, port USB)

    Nous avons fait la demande de 2 types de racks, le Rack d'Acquisition et de Contrôle (R.A.C.) et le Rack "Maître". Un R.A.C. est relié à une caméra par un câble CameraLink, il est donc doté d'une carte Camera Link sur le Bus PCI. D'autre part, chaque R.A.C. est équipé de 2 disques  amovibles à chaud de 500 Go afin de sauver les images acquises. Le Rack "Maître", gère l'ensemble du système via une liaison ethernet avec  les R.A.C. et gère également les relations avec les différents éléments périphériques se trouvant dans l'avion  tels que  le GPS, le Flight Management Software (FMS), la centrale inertielle montée au dos des caméras et la plateforme gyrostabilisée sur laquelle est monté notre instrument. Le Rack "Maître" n'a pas de carte Camera Link ni de disques amovibles. Une roue codeuse à deux chiffres au dos des racks permet de leur donner un rôle en leur donnant une adresse IP.

    L'écran LCD en face avant des racks donnent des informations sur le statut du rack au cours de la phase de boot, puis il permet de connaître l'état de remplissage des disques et leur statut. On peut également se servir du petit clavier pour se déplacer dans des menus et avoir des informations sur le rack voire même envoyer des commandes à celui-ci.

    Nous nous sommes arrangés pour que le processus d'acquisition et le processus de sauvegarde des images sur disques soient asynchrones. La sauvegarde des images se fait sur les 2 disques amovibles en parallèle pour assurer la duplication des données et donc l'absence de perte de données en cas d'avarie d'un des disques. Le temps de sauvegarde total d'une image est de 1,5 secondes en début de disque et de 2 secondes en fin de disque. Le temps de vidage du CCD est plus court, environ 1 seconde, donc on pourrait choisir, au détriment de la sécurité, de sauver alternativement les images sur un des deux disques pour ainsi doubler la cadence d'acquisition et donc diviser par 2 le pixel sol minimum.

    Les performances conjuguées de l'électronique des têtes de caméras et des racks informatiques  nous permettent d'acquérir et de sauver en parallèle sur 2 disques une image toutes les 2 secondes et donc d'obtenir un pixel sol minimum stéréoscopique (60% de recouvrement longitudinal) de 9cm à bord d'un avion volant à 100 m/s. Bien sûr le recours à une caméra 8 têtes fait passer cette taille de pixel sol à 4.5cm.




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