Correction du vignettage (CV)

La construction de l’objectif ou la modification du chemin optique des rayons lumineux (par utilisation d’accessoires) peuvent être la cause de perte de lumière (assombrissement) dans la périphérie du champ de l’image, voire l’apparition d’un anneau noir à ses bords. Ce phénomène porte le nom de vignettage. Il correspond à la diminution du niveau d’éclairement de l’image formée par un objectif, de sa périphérie vers son centre.

Le vignettage s'observe surtout à pleine ouverture du diaphragme. Il suffit généralement de fermer ce dernier d'un cran ou deux pour minimiser sensiblement cet effet. En contrepartie, réduire l’ouverture du diaphragme diminue la quantité de lumière qui parvient au détecteur. Le fabricant nous conseille ici le compromis d’une ouverture de f/2,8.

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L’ouverture en photographie est le réglage qui permet d'ajuster le diamètre d'ouverture du diaphragme. Elle est caractérisée par le nombre d'ouverture, fréquemment notée « f / N ». Ce nombre sans dimension est défini comme le rapport de la focale f au diamètre d de la pupille d'entrée (ou diaphragme) ː

N= f/d 3.16

L’utilisation d’une lentille VIS-NIR standard apporte un fort vignettage. Celui-ci a un impact important sur les spectres obtenus. Un exemple de vignettage est montré en Figure 60.

Une fonction simple permet de corriger le vignettage. Il s’agit de créer une matrice de correction, contenant des coefficients propres à chaque pixel. Pour cela, nous faisons l’observation d’une tuile de calibration Lambertienne. L’intensité de la lumière réfléchie par le matériau est identique à l’intensité de la lumière émise par la source. Dans notre configuration (caméra perpendiculaire à la surface observée) cela veut dire que le spectre d’une tuile de calibration doit être constant sur toute sa surface. La fonction prend une zone au centre de l'image (là où l'intensité lumineuse est la plus forte). Empiriquement, nous avons choisi une zone de 50x50 pixels. On fait ensuite la moyenne des valeurs de niveaux de gris dans la zone. La matrice de correction est créée en normalisant l’image de la tuile par la moyenne obtenue. La correction du vignettage, dans un premier temps sur les images de la tuile, se fait par division élément à élément de l’image par la matrice de correction (y compris sur la zone ayant servi à la définition du facteur de recalibration).

Le résultat est montré sur la Figure 61.

Figure 61 - Image mosaïque avec vignettage et première bande du cube corrigé Figure 60 - Image mosaïque avec vignettage et courbes spectrales associées

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La matrice de correction obtenue grâce à la tuile de calibration est ensuite utilisée pour supprimer l’effet de vignettage sur toutes les images acquises lors de la session de mesure.

Les pixels de l’image mosaïque d’une tuile de calibration correspondent à des fréquences différentes. Cependant la tuile de calibration a un spectre uniforme de réflectance égale à 1. L’image corrigée doit donc avoir la même intensité en sortie de la correction, quelle que soit la fréquence correspondante. Il se pose alors une question : faut-il appliquer la correction sur l’image mosaïque en réflectance ou sur le cube spectral, c’est-à-dire sur les N images correspondant aux fréquences du filtre ?

Le dévignettage sur le cube conduit au calcul de N matrices de correction. Si aucun autre ajustement n’est appliqué, les N images peuvent avoir des intensités différentes ce qui ne correspond pas à la réalité d’une tuile de calibration (réflectance identique en toute bande du spectre).

La correction du vignettage sur l’image mosaïque de la tuile conduit au calcul d’une unique matrice de correction. Elle ne prend pas en compte l’agencement des fréquences sur le filtre, augmentant le risque d’introduire un biais dans l’image. Cependant puisque chaque bande doit avoir une réflectance égale à 1, traiter tous les pixels (de fréquences variées) de façon équivalente permet d’obtenir simultanément la matrice de correction et les facteurs d’échelle.

2.6 Résultats

Les calibrations sont appliquées à la suite les unes des autres. L’application des offset doit impérativement être effectuée avant les autres corrections. Elle supprime les lignes et colonnes non couvertes par le filtre MSFA, réduisant la taille de l’image, de 1088x2048 pixels à 1080x2045 pixels. La chaîne de calibration mise en place est la suivante :

- Offset

- Construction du cube spectral

- Suppression de l’influence de la lumière - Correction du vignettage

Un exemple de résultat est présenté en Figure 62.

Figure 62 - Chaîne de calibration. Haut : Image mosaïque brute. Bas gauche : Cube multispectral brut. Bas droite : Cube multispectral corrigé

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Conclusion

La première étape de ce travail exploratoire a été l’étude et la constitution d’une chaîne d’acquisition et la construction d’une base d’images, après l’achat d’une caméra spectrale.

L’étude des capteurs et caméras spectraux existants et la prise en compte des contraintes financières, de temps (durée de la thèse) et d’espace disponible, nous ont conduits à faire l’acquisition d’une caméra multispectrale. Elle est basée sur la technologie IMEC qui utilise des matrices de filtres Fabry-Pérot pour l’acquisition de 25 longueurs d’ondes, dans le domaine VIS-NIR 600-975nm.

La caméra fournit des images brutes qu’il faut calibrer afin de corriger les erreurs potentielles introduites par le capteur et limiter l’influence de la source avant de pouvoir pré-traiter les images.

La première étape consiste à ne garder que les pixels utiles de l’image, c’est-à-dire ceux qui sont recouverts de filtres Fabry-Pérot. Nous avons donc commencé par appliquer l’offset constructeur pour ne conserver que l’image de la zone active du filtre MSFA. Il faut ensuite construire le cube spectral à partir de l’image « offset ». Nous appliquons pour finir la suppression de l’influence de la lumière (SIL) suivie de la correction du vignettage.

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