Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’imagerie à bas niveau de lumière porte sur le domaine de la vision nocturne et s’est étendu aux domaines de l’acquisition vidéo numérique dans des conditions d’éclairement très faibles. Depuis les années 2000, de nouvelles technologies émergent avec l'accès à des détecteurs matriciels sensibles depuis le proche Ultra-Violet à 0,3 µm jusque dans l’Infra-Rouge à 2,5 µm. Cet article requiert un retour aux fondamentaux sur ce large domaine spectral, en particulier, sur les sources et sur les albédos des objets entrant dans la constitution du contraste des images dans les conditions d’éclairement de nuit rencontrées sur Terre ou dans les conditions de très faibles flux photoniques
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Low light level imaging is related to the night vision field and is extended to the digital video field meeting very low illumination conditions. New technologies have been emerging since 2000 with the availability of focal plane arrays sensitive from 0.3 µm in Near UV up to 2.5 µm in Short Wavelength InfraRed. This article requires to go back on fundamentals in the domain, in particular the illumination conditions and on the albedo of objects used in, to build the image contrast meet at night on the Earth or with imaging equipments dealing with low photonic flux.
Auteur(s)
-
Thierry MIDAVAINE : Expert en optronique - Enseignant et conférencier en écoles d’ingénieurs et formations continues : IOGS, ESPCI, ENSTA, EUROSAE, Paris, France
INTRODUCTION
Le domaine de la vision et de l’imagerie à bas niveau de lumière se définit par ses applications. Historiquement, il est dominé par les applications militaires. Les besoins des armées, pour assurer leurs missions en ambiance nocturne, ont conduit ces développements industriels depuis la fin des années 1950. Le but fondamental poursuivi est d'apporter à l'homme une capacité de vision de nuit dont on cherche toujours à augmenter les performances. Cette motivation peut, bien entendu, se décliner dans plusieurs applications civiles telles que la navigation de plaisance ou l’observation de la nature et de la faune nocturne. En dehors de ce domaine de la vision nocturne, plusieurs champs d'applications scientifiques exploitent ces technologies. Pour n'en citer que deux, il est sans doute illusoire de vouloir être exhaustif, on peut retenir deux cas extrêmes : l'astronomie et la microscopie.
La vision nocturne à bas niveau de lumière est définie par un domaine spectral dans lequel les flux photoniques sont faibles, voire très faibles, de nuit à la surface de la Terre. Au départ, du fait des capacités humaines, ce domaine était limité à la bande spectrale de l'œil. Puis, naturellement, la limitation du flux photonique du domaine du Visible et les capacités technologiques ont conduit à élargir cette bande spectrale pour ainsi explorer et exploiter les limites apportées par l'environnement terrestre. Nous n'aborderons pas ici le domaine de l'infrarouge thermique qui, de jour comme de nuit, conduit à traiter des flux photoniques importants tout en n'étant que partiellement sensible à l'illumination de la scène. Le domaine de l'infrarouge thermique permet de réaliser des images dominées par les contrastes de températures et d’émissivités. Les images thermiques de scènes sont, de ce fait, très différentes des images perçues par la vision humaine qui est, elle, sensible aux différents niveaux de réflectivité (ou albédos) des objets illuminés par des sources naturelles ou artificielles éclairant la scène. Aussi, nous allons nous intéresser ici à ce domaine où les signatures des objets composant les images sont dominées par les contrastes d'albédos de jour comme de nuit. Cela limite le domaine spectral dans les courtes longueurs d'onde au proche ultra-violet, vers 0,3 µm, défini par le début de la transmission atmosphérique et dans les grandes longueurs d'onde dans l’infrarouge en bande 1 vers 2,5 µm par le début de la domination des flux photoniques issus du Corps Noir à température ambiante.
Cet article porte sur l'analyse des différents contributeurs à l'éclairement de nuit, aux contrastes des scènes et aux éléments fondamentaux responsables du rapport signal à bruit en imagerie à bas niveau de lumière.
Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des sigles et un tableau des symboles utilisés.
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KEYWORDS
low light level | photometry | visionic | nocturnal lighting | human eye
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 2012 par Thierry MIDAVAINE
DOI (Digital Object Identifier)
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Transmission atmosphérique
En anglais
5. Albédos
Dans une scène, le domaine angulaire au-dessus de l'horizon ou au-dessus des éléments composant le paysage terrestre, présente la luminance apparente du ciel, tandis que le sol a la luminance apparente résultant de l'éclairement modulé par les albédos ou les réflectivités des matériaux composant la scène. Le contraste entre ces albédos donne le contraste de l'image. Ainsi, il est avantageux de travailler dans des domaines spectraux où existent à la fois de forts albédos et de forts contrastes en coïncidence avec les maxima des éclairements possibles. Ces contributeurs vont être à l'origine du signal utile dans l'image.
On peut regrouper les albédos en trois familles : le végétal (figure 45), le minéral (figure 46) et les peintures de camouflage (figure 47). On pourra trouver, dans la base de donnée Aster publié par le Jet Propulsion Laboratory, le détail de ces spectres des albedos.
Il ressort que, pour la végétation et la plupart des matériaux artificiels, les albédos sont faibles, inférieurs à 0,2 dans le domaine du Visible excepté pour la peinture blanche. À des longueurs d'onde supérieures à 0,7 µm, la plupart des albédos liés à la végétation augmentent pour prendre des valeurs qui peuvent monter jusqu'à 0,65. L’origine de ce phénomène provient de l’absorption et de la réflectance des pigments anthocyanes dans l’herbe et les feuilles. Ainsi, il est prévisible que des images deviennent beaucoup plus contrastées et brillantes dans le domaine du proche infrarouge. Pour des longueurs d'onde supérieures à 1,4 µm, la végétation présente des albédos qui décroissent du fait de la présence d'eau hydratant les tissus. Les albédos des minéraux sont en général croissants avec la longueur d'onde. Tout cela permet de vérifier l'avantage connu à travailler dans le proche infrarouge pour atteindre des portées plus importantes du fait des albédos et des contrastes...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MIDAVAINE (T.), BELHAIRE (E.), PÉLLIARD (S.) - Solid state low light level imaging. - OPTRO 2010-04, Sensors and Components_14_1787320, OECD Conference Center, Paris (2010).
-
(2) - BLANCHARD (G.), DAUVERGNE (J.-L.) - Observer avec des jumelles. - Belin (2016).
-
(3) - * - Allen’s Astrophysical Quantities 4th edition Arthur N. Cox Editor.
-
(4) - LÉNA (P.), ROUAN (D.), et al - L’Observation en Astrophysique. 3ème édition. - CNRS Editions EDP Sciences (2008).
-
(5) - RIELLO (M.) et al - Gaia Early Data Release 3 : Photometric content and validation A&A. - No. aa39587 (2020).
-
(6) - Guide pour l’étude de la compatibilité des aéronefs avec l’utilisation de dispositifs...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Imagerie à bas niveau de lumière – Applications et perspectives.
NORMES
-
Édité par le bureau de normalisation de l’aéronautique et de l’espace. - Norme RE.Aéro 790 40 - Déc 1996
1.1 Documentation – Formation – Séminaires (liste non exhaustive)
Stage de formation continue SC13 Vision Bas Niveau de Lumière et Imagerie à Comptage de Photons IOGS Thierry Midavaine
https://fc.institutoptique.fr/
Séminaire DGA Bas Niveau de Lumière organisé tous les deux ou trois ans au centre DGA Technique Aéronautique Balma
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