4 Résultats et discussion
4.2 Mesure de la qualité d'image
4.2.2 Mise au foyer
Pour une lentille quelconque, il est possible que chaque champ de vue possède une position de mise au foyer optimale différente de celle au centre (0°). Dans le cadre de nos travaux, les lentilles ont toujours été mises au foyer au centre. Cependant, il est légitime de se demander si cette position est toujours la plus adéquate et quel est l'impact de ce choix sur les mesures obtenues. Si on considère par exemple les lentilles panomorphes, on sait qu'elles présentent une zone de résolution instantanée augmentée vers ±60°, à la position où les objets d'intérêts seront vraisemblablement situés si l'utilisateur décide d'exploiter le profil de résolution instantanée non-linéaire de ce type de lentille. Dans ce cas, il serait peut-être plus judicieux d'effectuer la mise au foyer dans cette zone, afin de maximiser les performances du système. Les figures ci-dessous montrent les profils de qualité d'image radiale et azimutale pour les deux lentilles panomorphes testées pour une mise au foyer à 0° et une mise au foyer à +60°.
Champ de vue (°)
*♦ IMV2733 au meilleur foyer à 0° ■ IMV2733 au meilleur foyer à 60°
* IMV2709 au meilleur foyer à 0° • IMV2709 au meilleur foyer à 60°
Figure 4.15 : Profils de qualité d'image radiale pour le grand axe de deux lentilles panomorphes pour deux positions de mise au foyer pour un système caméra-lentille
Profils de qualité d'image radiale pour le grand axe des lentilles panomorphes IMV2733 et IMV2709 pour une mise au foyer au centre et une mise au foyer à +60°, c 'est-à-dire à l'emplacement de la zone de résolution instantanée augmentée. La lentille IMV2709 présente une grande différence entre les deux positions de mise au foyer ainsi qu'un profil de qualité d'image fortement asymétrique à la position de mise au foyer +60°. Ces données ont été prises à l'aide de la caméra A VT Guppy.
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A IMV2709 au meilleur foyer à 0° • IMV2709 au meilleur foyer à 60°
Figure 4.16 : Profils de qualité d'image azimutale pour le grand axe de deux lentilles panomorphes pour deux positions de mise au foyer pour un système caméra-lentille
Profils de qualité d'image azimutale pour le grand axe des lentilles panomorphes IMV2733 et IMV2709 pour deux positions différentes de mise au foyer, c'est-à-dire 0° et +60°. La lentille IMV2709 présente un grand écart dans les profils de qualité d'image pour ces deux positions de mise au foyer. Ces données ont été prises à l'aide de la caméra A VT Guppy.
La différence de mise au foyer ne semble pas affecter le profil de qualité d'image pour la lentille IMV2733. Les positions de mise au foyer à 0° et à 60° doivent être voisines, ce qui fait en sorte que les objets situés à ces deux positions peuvent être simultanément au foyer. Egalement, le profil azimutal pour les deux positions de mise au foyer suit le même comportement que celui présenté à la figure 4.13. Comme ces données ont été recueillies à différents moments et traitées séparément, cela tend à confirmer ce comportement particulier pour la lentille IMV2733.
Le cas de la lentille panomorphe IMV2709 est bien différent. Si l'on s'attarde d'abord à la figure 4.15, on constate une détérioration de la qualité d'image radiale au centre pour une mise au foyer à +60° plutôt qu'à 0°. Cependant, on note également une amélioration autour de ±60°. Finalement, l'amélioration est plus marquée autour de +60° que de -60°. Les choses auraient peut-être été inversées si la mise au foyer s'était faite à -60°. Le profil de qualité d'image azimutal est aussi changé si la mise au foyer se fait à +60° plutôt qu'à 0°. Il présente un minimum au centre et des maximas autour de ±60° et est symétrique pour les angles positifs et négatifs du champ de vue. Il est cependant évident que détériorer la
qualité d'image sur la majorité du champ de vue pour l'augmenter un peu dans une zone n'est pas un bon choix. Il est préférable de faire un compromis sur la position de mise au foyer de façon à obtenir une qualité d'image acceptable sur tout le champ de vue.
4.2.3 Ajustement de la caméra
En plus de la mise au foyer au centre qui a été choisie, il a été décidé d'ajuster le shutter de la caméra de façon à obtenir une luminosité à 0° entre 0,9 et 0,99 unités de luminosité normalisées pour chacun des systèmes caméra-lentille. La raison de ce choix était d'exploiter chaque système dans des conditions optimales. Il aurait aussi été possible de garder les réglages de la caméra constants afin de pouvoir mieux comparer les lentilles entre elles. De plus, si les réglages de la caméra étaient demeurés constants, il aurait été possible d'extraire la MTF de la caméra si on avait connu les MTF des lentilles seules, soit pas des mesures permettant d'obtenir cette information, soit par des simulations avec
ZEMAX®.
4.2.4 M T F d'une lentille seule
Il était impossible, même en possédant les fichiers de design de certaines lentilles, de comparer les résultats obtenus à la section 4.2.1 avec le résultat d'une simulation dans ZEMAX® car les paramètres de la caméra sont inconnus. On ne peut alors pas recréer cette caméra dans le logiciel afin de simuler les calculs de MTF pour le système caméra-lentille qui serait représentatif de la mesure effectuée à l'aide du banc de caractérisation.
Nous avons choisi de faire appel à un laboratoire externe qui a mesuré la MTF de chacune de lentilles testées à l'aide de la PSF tel que décrit à la section 2.4.1. La PSF a été obtenue en captant un point source à l'aide d'une lentille à tester. Elle a été magnifiée d'un facteur
10 avant d'être captée par un senseur. Cette mesure a été effectuée pour 10 champs de vue différents sur un axe dans le cas des fisheyes et pour 20 champs de vue différents sur le grand et le petit axe pour les lentilles panomorphes. Pour chaque champ de vue, la mise au foyer a été optimisée. La valeur de la fréquence spatiale où la MTF est de 50% a été
extraite pour chaque champ de vue, tant dans la direction radiale qu'azimutale. Les résultats obtenus, qui ont été mesurés au début du projet, sont présentés ci-dessous et les valeurs des incertitudes sont inconnues.
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^ H U ^ z v
\ 1 e— i 1 "£ -100 -50 50■IMV 2733 (Grand axe)
Champ de vue (°)
■IMV 2709 (Grand axe) Fujinon
100
■Sunex
Figure 4.17 : Profil de qualité d'image radiale pour les quatre lentilles testées
Les lignes entre les points ont été ajoutées afin de mieux illustrer la tendance. De plus, les profils des lentilles Fujinon et Sunex sont symétriques car les mesures ont été prises pour les angles positifs uniquement et reportées pour les angles négatifs du champ de
vue.
-266
•IMV 2733 (Grand axe)
Champ de vue (°)
■IMV 2709 (Grand axe) —*—Fujinon
100 Sunex
Figure 4.18 : Profil de qualité d'image azimutale pour les quatre lentilles testées
Les lignes entre les points ont été ajoutées afin de mieux illustrer la tendance. De plus, les profils des lentilles Fujinon et Sunex sont symétriques car les mesures ont été prises pour les angles positifs uniquement et reportées pour les angles négatifs du champ de vue, ce qui n 'est pas le cas des lentilles panomorphes pour lesquelles tout le champ de vue a été considéré.
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- * — MTF radiale (Petit axe)
50 100
Champ de vue (°)
■MTF azimutale (Grand axe) •MTF azimutale (Petit axe)
Figure 4.19 : Profils de qualité d'image radiale et azimutale pour le petit et le grand axe de la lentille panomorphe IMV2733 seule
Les profils de qualité d'image radiale sont semblables alors que les profils azimut aux présentent des différences importantes et une asymétrie importante entre les angles positifs et négatifs du champ de vue sur le grand axe.
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-266
100 -50
-»— MTF radiale (Grand axe)
-A-—MTF radiale (Petit axe)
Champ de vue (°) 50 100 ■MTF azimutale (Grand axe) ■MTF azimutale (Petit axe)
Figure 4.20 : Profils de qualité d'image radiale et azimutale pour le petit et le grand axe de la lentille panomorphe IMV2709 seule
Comme dans le cas de la lentille IMV2733, les profils de qualité d'image radiale sont semblables alors que les profils azimutaux présentent des différences importantes surtout pour les angles positifs du champ de vue. On note également une asymétrie importante entre les angles positifs et négatifs du champ de vue sur le grand axe dans la direction azimutale.
À la lumière des résultats présentés aux figures 4.17 à 4.20, certains comportements sont étonnants. Tout d'abord, les fortes oscillations dans les profils de qualité d'image radiale et
azimutale de la lentille Sunex sont inattendues. Habituellement, on s'attend à une qualité d'image élevée au centre et qui diminue vers les bords du champ de vue comme c'est le cas pour les deux lentilles panomorphes et le fisheye de marque Fujinon. Également, les profils de qualité d'image azimutale des lentilles panomorphes présentent une forte asymétrie entre les angles positifs et les angles négatifs du champ de vue. Comme les mesures n'ont été prise que pour des angles positifs du champ de vue dans le cas des fisheyes, il n'est pas possible de savoir si le même phénomène aurait été observable. Finalement, alors que les profils de qualité d'image sur le grand axe des lentilles panomorphes sont semblables dans les directions radiale et azimutale, ce n'est pas le cas sur le petit axe, alors que les profils présentent des différences importantes entre les deux directions.
Les constatations listées ci-dessus peuvent être expliquées tout d'abord par la difficulté croissante d'obtenir une mesure fiable avec la diminution de la taille du spot size. Plus celui-ci est petit, moins il sera possible de le mesurer avec une grande résolution malgré le grossissement d'un facteur 10. La lentille Sunex semble posséder un petit spot size et il est aussi connu que les lentilles panomorphes possèdent un spot size plus petit dans la direction azimutale que radiale. Ce fait explique les oscillations dans les profils de qualité d'image de la Sunex et les asymétries des mesures sur le petit axe des lentilles panomorphes dans les deux directions. Il arrive que la diminution de la luminosité sur les bords du champ de vue rende la PSF très difficile à capter, même à l'intensité maximale de la source. De plus, la combinaison de la perte de luminosité aux grands angles de certaines lentilles panoramiques et de la plage dynamique restreinte du senseur rend certains détails de la PSF pratiquement impossible à distinguer. Si une lentille était limitée par la diffraction uniquement, c'est-à-dire que sa PSF aurait la forme d'une tache d'Airy, il serait sûrement difficile de percevoir les anneaux entourant le lobe principal à l'aide de cette méthode. Il est évident que la taille du spot size influence également les mesures de qualité d'image prises à l'aide du banc de caractérisation pour lentilles panoramiques car la longueur, donc la résolution, d'une fonction de contour est proportionnelle à la taille du spot size. Cependant, la mesure de la qualité d'image avec le banc de caractérisation ne souffre pas de la diminution de lumière aux grands angles et la plage dynamique du senseur n'est pas un facteur limitant puisqu'on travaille en lumière ambiante.
Ce chapitre a présenté les résultats obtenus pour les quatre lentilles testées à l'aide de deux caméras dans le banc de caractérisation pour lentilles panoramiques. Des profils de résolution instantanée ont étés obtenus pour ces lentilles et certains d'entre eux ont pu être comparés à des simulations effectuées à l'aide du logiciel ZEMAX®. Les résultats expérimentaux se sont avérés très semblables aux résultats attendus. De plus, la résolution instantanée a été présentée sous une forme différente, c'est-à-dire en carte de résolution instantanée. Ce type de mise en forme des données permet d'avoir une vue d'ensemble de la résolution instantanée linéaire d'une lentille panoramique.
Plusieurs profils de qualité d'image radiale et azimutale ont été mesurés pour des systèmes caméra-lentille utilisant uniquement la caméra AVT Guppy. Ils ont permis de mettre en lumière les différences marquées entre les deux lentilles panomorphes testées. De plus, une de ces deux lentilles s'est montrée très sensible à la position de mise au foyer. Les mesures des profils de qualité d'image pour une lentille seule effectuées par un consultant externe ont démontré la nécessité du développement d'une méthode spécialement adaptée aux lentilles panoramiques qui tient compte de leurs particularités.
Maintenant que l'efficacité du montage et de la méthode ont été démontrés, il serait possible d'effectuer plusieurs autres tests, comme des mises au foyer à différents angles ou l'obtention du profil de qualité d'image pour plusieurs lentilles mais sans modifier les paramètres de la caméra. Le montage étant très versatile, il permettrait d'obtenir ces nouvelles données sans modification aux cibles ou au programme d'analyse.
La caractérisation rapide et facile de lentilles panoramiques peut permettre non seulement un meilleur contrôle de la qualité, mais également servir à comparer des lentilles de compagnies différentes entre elles afin de pouvoir choisir une lentille bien adaptée à l'utilisation envisagée, tant en prenant en compte son profil de résolution instantanée qu'en déterminant la meilleure position de mise au foyer grâce aux profils de qualité d'image. Les mesures prises à l'aide du banc de caractérisation pour lentilles panoramiques fournissent plus que des spécifications basées sur la théorie en brossant un portrait précis d'une lentille réelle.
5 Conclusion
Ce mémoire a permis de décrire les phases de conception et de test du banc de caractérisation pour lentilles panoramiques qui a été mis au point. Le but de ce projet n'était pas l'étude des lentilles panoramiques, mais plutôt la construction et le test d'un montage pour les caractériser dont les étapes seront résumées dans les paragraphes qui suivent. La forme qui a été retenue pour le montage est un cylindre de rayon intérieur de 75 cm et couvrant 220° pour permettre le test de la plupart des lentilles panoramiques tout en assurant un bon accès à la caméra placée au centre du montage. La forme du montage, cylindrique plutôt que sphérique, a été choisie tout d'abord pour en faciliter la réalisation et ainsi éviter les erreurs de fabrication. Un avantage supplémentaire au montage cylindrique était la possibilité de placer plusieurs cibles dans le montage et d'ajuster la hauteur de la caméra pour en sélectionner une série en particulier. Cela évite de devoir changer les cibles chaque fois et de risquer de mal les positionner ou de les abimer.
Deux assortiments de cibles ont été conçus à l'aide du logiciel Adobe Illustrator : le premier pour mesurer la résolution instantanée des lentilles panoramiques et l'autre pour connaître la qualité d'image via le calcul de la MTF radiale et azimutale. Les cibles ont été imprimées sur une imprimante grand format afin d'éviter d'avoir à assembler plusieurs feuilles. La conception des cibles s'est fait parallèlement avec l'écriture du programme d'analyse. Plusieurs tests ont été effectués avant d'en arriver à la version finale de ces deux items.
La cible de résolution instantanée est constituée d'une série de rectangles noirs et blancs de 2° de largeur angulaire. Le programme d'analyse détermine le centre de chacun de ces rectangles en fonction de sa position angulaire dans le champ de vue. La dérivé de cette relation donne la résolution instantanée en fonction de l'angle dans le champ de vue.
Le patron de qualité d'image (MTF) contient en fait deux séries de cibles en un. Il s'agit d'une suite de rectangles blancs et noirs d'une largeur angulaire de 10° et d'une inclinaison de 5,71°. Ces rectangles forment des transitions obliques entre le noir et le blanc qui
permettent d'obtenir la MTF radiale si elles sont horizontales et la MTF azimutale si elles sont verticales. Le programme d'analyse détermine la position du centre de ces transitions puis fait passer des boîtes de 41X41 pixels formées autour de ces positions dans le programme sfrmat2 (Burns, 2003) qui extrait la MTF pour chacune des boîtes ou zones d'intérêt. On extrait par la suite la fréquence spatiale pour laquelle la MTF vaut 50% pour chaque champ de vue traité et on obtient la relation entre cette fréquence spatiale et le champ de vue. Cette relation, appelée profil de qualité d'image, est une représentation compacte de l'appréciation de la qualité d'image sur tout le champ de vue.
Avant même la prise de mesure, il était évident que le positionnement de la caméra allait être un enjeu important. Son alignement dans la direction perpendiculaire à l'axe optique et suivant le plan de la table étant peu sujet à des variations, car réglé par les pièces opto- mécaniques fixées à la table, la plus grande difficulté résidait dans l'alignement dans la direction parallèle à l'axe optique. Connaissant très bien la position du centre de la structure cylindrique, il fallait aligner le point joignant l'axe optique et le plan de la circonférence de la monture de la lentille avec le centre. Dans un cas réaliste, l'erreur sur l'angle s'est avérée inférieure à 0,5° pour tout angle du champ de vue. Il était également prévisible que l'uniformité de la luminosité aurait un impact non négligeable sur les résultats obtenus, en particulier dans le cas de la qualité d'image car la MTF est une mesure de contraste. Il a fallu s'assurer que le profil de luminosité d'une image était symétrique pour les angles positifs et négatifs du champ de vue. Aussi, il a été décidé que le shutter de la caméra serait réglé de façon à ce que la luminosité au centre se trouve entre 0,9 et 0,99 unités de luminosité normalisées afin d'exploiter chaque système caméra-lentille dans des conditions jugées optimales.
Pour valider le montage et les procédures mises au point pour la caractérisation de lentilles panoramiques, quatre lentilles panoramiques et deux caméras ont été utilisées. Les deux caméras présentaient des spécifications assez différentes. La caméra IQ-Eye 511 possédait un senseur de 1,3 Mégapixel, un pixel pitch de 3,6 pm et les images étaient enregistrées en JPEG. La caméra AVT Guppy F-503 possédait quant à elle 5 Mégapixels, un pixel pitch de 2,2 pm et un format d'emegistrement TIFF. Bien que la caméra IQ-Eye ait servi pour les
tests ayant mené à la configuration finale et pour la mesure de la résolution instantanée, elle a été abandonnée au profit de la caméra AVT Guppy lors des tests de qualité d'image. Deux des lentilles utilisées pour les tests étaient du même modèle, c'est-à-dire deux lentilles panomorphes de la compagnie Immervision qui ont la particularité de présenter un profil de distorsion fortement non-linéaire ainsi que de l'anamorphose. L'intérêt de choisir deux lentilles du même modèle était de voir les effets du tolérancement et de la fabrication. De plus, les fichiers de design ZEMAX® étaient disponibles pour ce modèle, ce qui permettait de lancer des simulations et de les comparer aux résultats obtenus à l'aide du banc de caractérisation. Les deux autres lentilles étaient du type fisheye des compagnies Fujinon et Sunex. Les quatre lentilles testées possédaient des longueurs focales, champs de vue etf-numbers semblables, ce qui a permis de les comparer entre elles plus aisément.