Les cameras BAYER
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    Les capteurs couleur Kodak sont, pour caricaturer, le résultat de la superposition d'un capteur CCD panchromatique et d'un réseau de petits filtres colorés Rouge, Vert et Bleu dont lesBayer dimensions sont celles d'un pixel de la matrice. Il en résulte que chaque pixel du capteur n'acquiert qu'une des trois primaires nécessaires à la synthèse d'une couleur. Comme pour la plupart des CCD couleurs, les pixels verts sont deux fois plus nombreux que les pixels rouges et les pixels bleus. L'arrangement dans l'espace des pixels les uns par rapport aux autres est donné par la figure ci-contre.
Cet arrangement a été introduit par Bayer, un ingénieur de Kodak, d'où la dénomination de ce type de caméras.
   
    Voici ci-dessous les courbes de rendement quantique des pixels colorés en fonction de la longueur d'onde du rayonnement incident pour le CCD couleur 4096 x 4096 pixels que nous utilisons dans deux de nos têtes de caméras. On devine d'après ces courbes qu'il est nécessaire de placer un filtre BW486 (voir page filtres utilisés) devant les têtes de caméras pour éviter toute fuite dans le proche Infrarouge due à une sensibilité des pixels rouges au-delà de 780 nm.

courbes KAF-16801CE

    Pour reconstituer une image couleur pleine résolution on voit dores et déjà que deux types de traitements vont devoir être appliqués aux images brutes :
  • des traitements d'interpolation "améliorée" en fonction du voisinage. On voit bien à la structure du CCD que pour calculer par exemple la valeur R et B d'un pixel Vert, il va falloir tenir compte intelligemment des pixels R et B du voisinage. C'est la phase de débayerisation, beaucoup d'algorithmes existent donnant parfois des résultats assez remarquables. Aucun ne nous satisfait pleinement actuellement ; ce qui nous conforte dans notre choix de la configuration multi-canal.
  • des traitements colorimétriques. Il faut réajuster la valeur de la primaire du pixel en égalisant grossièrement les primaires en tenant compte des différences de sensibilité des trois types de pixels ; ces différences apparissent clairement sur les trois courbes ci-dessus. D'autre part il faut corriger le signal reçu par un pixel en otant la part due aux imperfections des filtres : par exemple, on voit d'après la courbe bleue ci-dessus qu'un pixel bleu va bien sûr être sensible à des rayonnements du domaine bleu mais aussi des domaines vert et rouge.
    Voici tout d'abord ci-dessous une illustration des artefacts colorés que peut donner une ligne blanche débayerisée avec deux méthodes différentes mais ne donnant pour aucune un résultat pleinement satisfaisant :

Roissy_totale
roissy_brut
roissy_meth1
roissy_meth2
Ci-dessus de gauche à droite : 1. Extrait d'une image acquise sur les pistes Roissy au pixel sol de 50 cm avec une caméra CCD couleur. Encadré en vert la zone sur laquelle nous allons nous concentrer. 2. L'extrait agrandi dans l'image brute. 3. Le même extrait après une débayerisation classique, on voit l'apparition de nombreux artefacts colorés dus à une trop bonne focalisation (sic). 3. Une autre débayerisation gommant effectivement l'aspect saturé en couleur mais laissant des "rebonds" sombres de part et d'autre de la ligne.

    Ces artefacts colorés apparaissent bien sûr sur les objets linéaires mais également sur les objets surfaciques à structure périodique dont le spécimen le plus représentatif vu depuis un avion est le passage piéton. Pour s'affranchir du repliement de spectre dans ce dernier cas on pourra voler plus bas pour augmenter la résolution mais pour chaque taille de pixel sol apparaîtront de nouveaux objets sources d'artefacts. Illustrations avec un passage piéton parisien :

paris50cm
paris25cm
extr50cm
extr25cm
La même zone de Paris à 50 cm (images de gauche) et 25 cm (images de droite) de pixel sol. A 25 cm les artefacts disparaissent effectivement des passages piétons mais d'autres apparaissent sur les tracés discontinus de la chaussée (image en haut à droite)

    Nous avons pris le parti en 2000 de délaisser l'acquisition par capteur couleur type BAYER pour une acquisition multi-canal qui en plus de l'absence de tous ces artefacts présente un intérêt non négligeable : on peut régler le temps de pose de chacune des caméras indépendamment et donc égaliser les trois ou quatre plans dès l'acquisition, et utiliser des filtres mieux optimisés. On obtient ainsi une information beaucoup moins bruitée dans le plan bleu (dans le cas du capteur bayer, on multiplie le signal recueilli par les pixels bleus et par conséquent on multiplie le bruit de ces pixels). Il est important de signaler que les informations obtenues dans les ombres proviennent essentiellement du canal bleu car les zones à l'ombre sont éclairées par le ciel bleu ; une bonne dynamique dans le plan bleu est donc la meilleure solution pour une bonne vision dans les ombres.
    Les caméras BAYER n'ont pourtant pas été abandonnées au LOEMI puisque nous avons acquis deux CCD couleur 4096 x 4096 pixels pour le compte des applications terrestres du projet de photogrammétrie architecturale du MATIS, où le fait que les objets visés sont proches interdit, à cause de la parallaxe, l'utilisation de caméras séparées pour obtenir la couleur.
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