Figure 4.2 – Embarquement de la cam´era l´eg`ere de l’IGN sur plusieurs types de drones.
Le module “imageur”
Le module “imageur” est compos´e essentiellement d’un capteur d’image CMOS
(Com-plementary Metal-Oxide Semiconductor), d’un SoC (System On Chip), d’une m´emoire
RAM, d’une carte SSD format M.2, d’une carte µSD et d’un module inertiel IMU
(Inertial Measurement Unit).
Figure 4.3 – Les composants principaux du module “imageur”.
Le capteur d’image
Le capteur d’image est le composant le plus important de la cam´era, il permet de
transformer les rayonnements compos´es des photons en une image num´erique.
Pendant la phase des choix techniques, les ing´enieurs du LOEMI ont d´ecid´e que la cam´era ne comprendrait pas un obturateur m´ecanique `a cause des contraintes li´ees aux poids. En mˆeme temps, ils voulaient ´eviter le probl`eme du “rolling shutter” qui cause une d´eformation non maˆıtris´ee de l’image dans le cas d’un mouvement de la cam´era (figure 4.4) ou du sujet photographi´e (figure 4.5). Donc, ils se sont orient´es vers un capteur CMOS disposant d’un obturateur global qui permet d’assurer une exposition simultan´ee de tous les pixels.
Le capteur d’image int´egr´e dans la cam´era l´eg`ere est de type CMV20000 (figure 4.6) de la soci´et´e CMOSIS. Ce CMOS est plein format (24.5 × 33.7mm) et poss`ede une r´esolution d’image de 5120×3840 pixels. Il est caract´eris´e par une cadence d’acquisition
pleine r´esolution de 30 images/seconde. Cette vitesse d’acquisition ´elev´ee ouvre la porte `
a des applications int´eressantes de traitement d’image, surtout avec la pr´esence du FPGA Zynq-7030 qui pourra assurer une importante puissance de calcul. Dans notre travail, nous avons utilis´e les images en niveaux de gris de 5MP (2560 × 1920 pixels) obtenues `a partir des images d’origine type bayer en faisant la moyenne de chaque paire verte.
Figure 4.4 – L’effet rolling shutter dans le cas du mouvement de la cam´era. Source : www.course-de-drone.fr.
Figure 4.5 – L’effet rolling shutter dans le cas du mouvement d’un objet. Source : www.leblogphoto.net.
Les capteurs inertiels
Les capteurs inertiels comprennent des acc´el´erom`etres et des gyrom`etres mesurant res-pectivement les acc´el´erations selon trois axes X, Y, Z orthogonales et les vitesses angu-laires autour de ces mˆemes trois axes (figure 4.7). La centrale inertielle int´egr´ee dans la cam´era est du type ICM-20608-G de la soci´et´e InvenSense. Elle est fix´ee sur la carte ´
electronique de l’´etage “imageur” (figure 4.8) de mani`ere rigide.
Les gyrom`etres d´elivrent avec une faible latence jusqu’`a une fr´equence de 333Hz la vitesse angulaire autour des trois axes. Un sous-syst`eme logiciel a ´et´e d´evelopp´e ant´ e-rieurement qui permet d’obtenir une estimation de la rotation dans un rep`ere initial de chaque pose (Rn
imu) acquise par le capteur d’image.
Les capteurs inertiels de cette centrale `a faible coˆut sont bas´es sur la technologie MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Le principal inconv´enient de cette technologie est
CHAPITRE 4. PLATEFORME MAT ´ERIELLE
Figure 4.6 – Le capteur CMOS de type CMV20000 utilis´e dans la cam´era l´eg`ere.
Figure 4.7 – L’orientation des axes et la polarit´e de rotation de l’IMU.
la performance r´eduite en termes de pr´ecision et de stabilit´e : `a cause de l’int´egration de la vitesse angulaire, l’instabilit´e du biais est le principal type d’erreur qui affecte les mesures. Pour mitiger ce probl`eme, l’influence de la temp´erature sur le biais sera ´evalu´ee en laboratoire car la temp´erature dans la cam´era peut ˆetre ´elev´ee (75 °C) `a cause de la dissipation de la chaleur issue de l’´electronique. Une autre estimation de biais est faite pendant quelques secondes lorsque le drone est immobile juste avant le d´ecollage.
SoC bas´e sur un FPGA et un processeur ARM
Le cerveau de cette cam´era est constitu´e d’un syst`eme sur puce (SoC) de type Zynq-7030 de la soci´et´e Xilinx (figure4.9). Il est compos´e d’un processeur double cœur ARM Cortex-A9 sur lequel tourne un syst`eme d’exploitation embarqu´e (linux) et d’une partie mat´erielle programmable sous la forme d’un FPGA. Le rˆole principal du SoC est de g´erer les liens avec le capteur CMV20000 afin d’acqu´erir les donn´ees image. Il dispose ´egalement d’un grand nombre de p´eriph´eriques : contrˆoleurs m´emoires RAM DDR3, Ethernet, USB2.0, lecteur de cartes SD, UART, SPI, I2C. La capacit´e de calcul que le Zynq-7030 peut fournir fait de cette cam´era une plate-forme int´eressante pour la
Figure 4.8 – L’IMU et le capteur CMOS `a l’int´erieur de la cam´era IGN.
Figure 4.9 – Le SoC ZYNQ-7030 implant´e dans la cam´era.
recherche et pour le d´eveloppement surtout au niveau de l’impl´ementation de nouvelles fonctionnalit´es temps-r´eel utiles pour d’autres applications plus complexes.
Optique
Dans notre travail, les prises de vue sont effectu´ees avec un objectif de type monture Leica M. `a focale fixe de 35mm. On a choisi cette distance focale car elle est la plus adapt´ee `a la photographie que l’on souhaite r´ealiser (rues, crues, batiments...). Une fo-cale fixe permet de d´efinir un mod`ele cam´era unique qui peut ˆetre appliqu´e `a l’ensemble des prises de vue. Une mise au point est r´ealis´ee manuellement avant la mission afin d’avoir une bonne nettet´e durant l’acquisition. Cette mise au point doit ˆetre effectu´ee `
a l’infini puisque l’altitude `a laquelle les images a´eriennes sont acquises reste toujours sup´erieure `a la distance hyperfocale. Enfin, la distance focale sera estim´ee d’une ma-ni`ere pr´ecise dans le processus de calibration ainsi que les distorsions dues `a l’optique.
CHAPITRE 4. PLATEFORME MAT ´ERIELLE
Figure 4.10 – La cam´era de l’IGN sans et avec l’objectif.
4.2 R´ef´erences
Daakir, M., Pierrot-Deseilligny, M., Bosser, P., Pichard, F., and Thom, C. (2015). Uav onboard photogrammetry and gps positionning for earthworks. ISPRS - Interna-tional Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information
Sciences, XL-3/W3 :293–298. 30
Daakir, M., Pierrot-Deseilligny, M., Bosser, P., Pichard, F., Thom, C., and Rabot, Y. (2016). Study of lever-arm effect using embedded photogrammetry and on-board gps receiver on uav for metrological mapping purpose and proposal of a free ground measurements calibration procedure. ISPRS - International Archives of the Pho-togrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XL-3/W4 :65–70.
30
Martin, O., Meynard, C., Pierrot Deseilligny, M., Souchon, J.-P., and Thom, C. (2014). R´ealisation d’une cam´era photogramm´etrique ultral´eg`ere et de haute r´esolution. Col-loque Drones et moyens l´egers a´eroport´es d’observation, Montpellier, France. 29
Tournadre, V., Pierrot-Deseilligny, M., and Faure, P. H. (2015). Uav linear photogram-metry. ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and