nouveaux concepts d'utilisation des caméras ign (camnum v2)

Nouveaux concepts d’utilisation des caméras CamNum V2 pour des applications

de recherche en télédétection

DOTA

P. Chervet & J. Duffaut

Onera - Département d'Optique Théorique et Appliqué[email protected] - [email protected]

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IGN

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DOTA2

Nouveaux concepts d’utilisation des caméras CamNum V2 pour des applicationsde recherche en télédétection

Plan de la présentation

� Concept de base: caméras IGN et coopération Pelican (2001)

� Concept appliqué à une étude radiométrique: multispectral 8 voies (2004)

� Concept appliqué à une étude géométrique: prises de vues stéréo (2006)

� Projets Onera: pods Sethi – Socrates (2010)

� Concept appliqué à l’exploitation camV2 hors de la cellule avion (2010)

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DOTA3

Un point commun ?

QUI ? QUOI ? COMMENT ?

IGN � Photogrammétrie, carto. � Méthodes géométriques

Onera � Détection, reconnaissance � Méthodes radiométriques

Cnes � Préparation futurs satellites � Simulation d'image

DONNÉE D'ENTRÉE DES ETUDES

L'IMAGE AÉROPORTÉE

La recherche en télédétection…

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DOTA4

PELICAN – Une structure de coopération

Création de la structure PELICAN (2001)

PPlateformelateforme EEtt LLogog IIcielsciels dede CCamerasameras AAééroportroport ééeses NNumum éériquesriques

Tous : Se doter de types d'images propres à ses étudesMaîtriser la qualité image

Mise en commun des compétences et des moyens (2000)

IGN : Études et réalisations de caméras

Étalonnages géométriques

Opérations aéroportées production et recherche

CNES : Spécifications de données images pour simulations satellites

ONERA : Étalonnages radiométriques

Opérations aéroportées spécifiques à la recherche

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DOTA5

PELICAN – Configuration de base IGN

� Bandes spectrales R, V, B et PIR

� Largeur de filtres : 80 nm à 300 nm

� Résol. spatiale : 40 cm à 60 cm

� Direction de visée : nadir

� Longueur focale : 45 mm à 60 mm

� Système imageur 4 voies

� Matrices CDD - 16 Mpixels/voie

� Sensibilité spectrale : ~ 0,4 à 0,9 µm

� Anti-éblouissement – 12 bits/pix.

� Compensation de filé temps réel

Beechcraft 200 IGNExemple de config. prod. IGN (~2002)

Configuration camV1 du LOEMI (~2002)

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DOTA6

PELICAN - Application multispectrale

Albédos spectraux

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

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1

0,4 0,425 0,45 0,475 0,5 0,525 0,55 0,575 0,6 0,625 0,65 0,675 0,7 0,725 0,75 0,775 0,8 0,825 0,85 0,875 0,9 0,925 0,95 0,975 1

Longueurs d'onde (microns)

Réf

lect

ance

asphalteconstruction

aluminium

peinture vertesur alu

charpente en pin

peinture vertesur pin

brique rouge

parpaing

tuile orange

asphalte toit 15ans

matériaux route30 ans

cuivre 10 ans

cuivre

caoutchouc

herbe

herbe sèche

total atm tropical

� Différencier les matériaux par le contraste interbandes spectrales

� Exploitation contraste interbande dans image � étalonnage interbande des caméras

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SPOT 5

Albédos spectraux

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Longueurs d'onde (microns)

Réf

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asphalteconstruction

aluminium

peinture vertesur alu

charpente en pin

peinture vertesur pin

brique rouge

parpaing

tuile orange

asphalte toit 15ans

matériaux route30 ans

cuivre 10 ans

cuivre

caoutchouc

herbe

herbe sèche

total atm tropical

PELICAN – Concept multispectral THR*

� Objectif : Suprimer les ombres dans les images � présenter la réflectance de la scèneThèse IGN – Onera - Cnes - S. Lacherade - Campagne d'acquition de données Capitoul – 2004

� Spécifications des prises de vues en multispectral THR (à Trés Haute Résolution)

� Diviser leur largeur de bandespectrale au moins par 2

� Doubler le nombre de bandesspectrales

� Améliorer la résolution spatiale

� Connaitre la luminance pixelsol en entrée optique

� Comment faire ?...

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DOTA8

PELICAN – Contrainte spatio-temporelle

(Résolution du pixel sol) x (Largeur de bande spe ctrale) ~ Cste

� Contrainte majeure avec les systèmes imageurs aéroportées sans compensation de filé

� Comment améliorer la résolution spatiale ET spectrale ?

� Augmenter la pupille � optique spécifique � coût ! - Réduire la vitesse avion � coût !

� Utiliser des caméras à compensation de filé…

Transfert des charges dans le détecteur pendant la pose ou TDI (Time Delay Intégration)

Caméra IGN/Loemi �� caméras avec TDI !

Largeur spectrale

Temps de pose mini (estimé voie rouge ouvert. f/8 en juin)

Vitesse avion / sol

Résolution spatiale sol

Imageur RVB+PIR 4 bandes spectrales

80 nm 6 ms100 m/s 360km/h

0,60 m/pixel

Système imageur multispectral

(8 à 10 bandes)avec filtres étroits

30 nm 18 ms 100 m/s 360km/h

1,80 m/pixel !!

HAUTE RESOLUTION SPECTRALE OU HAUTE RESOLUTION SPATIALE

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DOTA9

PELICAN – Etude configuration système

� Ajout d'une caméra vidéo :contrôle dans l'image de lacompensation de dérive avion

Configuration du système Imageur

(bande spectrale rouge)

Largeur spectrale

Temps de pose mini Estimé en mars

Vitesse solRésolution spatiale sol

Déplacement pendant la pose

Compensation de filé pendant la pose

4 filtres RVB+PIR standartsf/8 - 360 km/h

80 nm 12 ms 360 km/h 0,6 m 1,2 m 2 pixels

8 filtres étroitsf/8 - 360 km/h


8 filtres étroitsf/5,6 - 290 km/h


Modifier le système imageur pour répondre aux speci fications

� Doubler les bandes spectrales � Acquérir avec 2 configurations de base IGN

� Augmenter la résolution spatiale � Utiliser des filtres "étroits" � Augmentation temps de pose

� Augmenter la résolution spatiale � Monter de longues focales � Augmentation compensation filé!

Estimation du temps de pose et de la compensation de filé

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DOTA10

PELICAN – Connaître la luminance

� Étalonner* le coefficient de sensibilité radiométriq ue absolue A (W.m-2.sr -1.µm -1/CN.s-1)

� pour connaître la luminance du pixel sol en entrée d'objectif Lij (W.m-2.sr-1.µm-1)� en fonction du compte numérique brut du pixel Xij (CN . s-1)� et de son niveau en obscurité Bij (CN . s-1)

� Imageur multispectral � RADIOMETRE IMAGEUR MULTISPECTRAL

* * Caractérisation et étalonnage radiométrique de l'imageur Pelican -JR IGN, 8 & 9 mars 2006 JR IGN, 8 & 9 mars 2006 -- JoJoëël Duffaut, Philippe Dl Duffaut, Philippe Dééliot liot

)BX(AL ijijij −⋅=

Filtre

Diaphragme

Lentilles

Obturateur

Bague de focalisation Matrice CCD

Vis réglages détecteur

L?

� Principe d'un imageur avec CCD matriciel à transfert de trame panchromatique (N & B)

Xij (Bij)

? ?

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DOTA11

PELICAN � Imageur multispectral THR

Imageur multispectral à très haute résolution spatial e ET spectrale

Modifications apportées à l'instrument

� Couplage 2 configurations de base IGN

� Exploitation de longues focales: 100mm

� Introduction de filtres "étroits"

� Contrôle de correction dérive par l'image

Nouvelles performances instrument (2004)

� Imageur à 8 plans spectraux / image

� Résolution spatiale: 20 cm en mosaïque

� Résolution spectrale: 30 nm par bande

Point à améliorer sur l'instrument

� Gestion simultanée de 2 systèmes séparés en manuel

Extrait d'une image RVB composée à partir des 8 plans spectraux Accès Onera centre de Toulouse – avril 2004

2005 � Le Loemi modifie ses logiciels pour contrôler les 8 caméras par la même console

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DOTA12

PELICAN – Concept en géométrie

� Objectif : réaliser des prises de vue multispectral es et en stéroscopie pour:

� La simulation des prises de vues de futurs satellites dits "agiles" (Cnes - DGA)

� L'étude de l'influence du B/H (rapport Base / Hauteur) sur la restitution stéréo

� Spécifications de ces prises de vues multispectrale s stéréoscopiques

� couples d'images pris avec de très faibles et de très forts rapports B/H

� Maintien de la haute résolution spatiale à 20 cm sans utiliser le "pan-sharpening"

� Maintien du mosaïquage sous de forts B/H et avec 100% de recouvrement

� Trois méthodes de prises de vues permettent d'acqué rir des couples stéréo…

� Laquelle choisir ?

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DOTA13

PELICAN – Stéréo. par recouvrement (1/3)

caméra en visée nadir

Base B

Hauteur H� Domaine de B/H très faible et

contraint par la résolution

s(m)

PDVavion(%)

t

NbrLignesRésol

PériodeVRecouv (s)(m/s)

×

×−= 1

� Correction identique pour toutes les images

� Faible coût: 1 seul passage nécessaire

� Stéréo avec un seul système imageur, en un seul passage et avec recouvrement > 50%

� Bonne qualité du couple stéréo (cartographie) – Domaine angles de prises de vues restreint

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DOTA14

PELICAN – Stéréo. en 2 passages (2/3)

Premier passagecaméra en visée nadir

Deuxième passage caméra en visée arrière

Sens de vol

Base B

Hauteur H� 2 passages nécessaires (coût vol �)

� Modification de la position des ombres entre les 2 clichés (∆t: 8 mn min.)

� B/H difficile à contrôler (déclent 2ième passage)=> Variation du B/H

� Types de données stéréo théoriques :- Incidences 1°à 25°- Recouvrement jusqu'à 100%- Haute résolution spatiale en mosaïque

(posibilité de recouvrement < 50%)

� Stéréo avec un seul système imageur et en 2 passages consécutifs sur la scène

� Cout élevé - Difficile à mettre en œuvre - Qualité de la mosaïque stéréoscopique faible

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DOTA15

� Stéréo avec deux systèmes imageurs synchronisés et en un seul passage avion (2006)

� Qualité optimale des données pour la restitution de la mosaïque stéréoscopique

Prise de vue de la visée avant à t0

(maitre)

Sens de volPrise de vue de la visée nadir après déplacement B (t0) + ∆t(Synchro par maitre + retard)

Base B

Hn:

hau

teur

de

vol e

n vi

sée

nad

ir

Modifications apportées à l'instrument

� Deux systèmes identiques

� Retard modulo période entre pdv av/nadir

� Filtres standard de 80 nm

� Mise en œuvre semi-auto. (dérive et retard)

Valeur du B/H 8,0% 10,0% 18,0% 26,0% 42,4%

Angle de visée oblique par rapport au nadir, entre les 2 systèmes (d°) 4,57 5,71 10,20 14,57 22,98

Base B 133 m 167 m 300 m 433 m 707 m

V avion (km/h) 295 295 295 295 295

Période de PDV des 2 systèmes 3,9 s 3,9 s 3,7 3,9 s 3,7 s

∆T pour parcourir la base augmentée de l'écart entre les trappes (la caméra arrière est en visée nadir ou arrière,

celle de la trappe avant en visée avant avec une avance de 2,10m

1,649 s 2,058 s 3,684 s 5,31 s 8,643 s

Nbre PDV à ajouter au n° du cliché du système Pelican en visée avant pour

obtenir le n° du cliché homologue sur le système IGN (en visé nadir ou arrière et

retardé)

0 0 1 1 2

Retard de la PDV du système de prise de vu nadir placé sur la trappe arrière (le

retard tient compte de l'écart entre trappes)

1,649 s 2,058 s 0,001 s 1,41 s 1,243 s

Recouvrement des prises de vues 22% 22% 26% 22% 26%

PELICAN – Stéréo. en 1 passage (3/3)

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DOTA16

Pelican � Radiomètre multispectral stéréo

Prise de vue en visée avant

Prise de vue en visée nadir

Extrait d'un couple stéréoRésolution sol 10 cm

Intégration sur avion: IGN/SAA et OneraAjout d'un générateur de retard à la configuration instrument

Nouvelles performances instrument

� Angle pdv stéréo de 1°à 25°� Recouvrement entre les clichés : 22%

� Recouvrement du couple stéréo: 100%

� Mosaïque stéréo à haute résolution spatiale 10 cm

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DOTA17

SETHI 2010

Concept « tout-en-un »

Applications• Climatologie• Agronomie, gestion des forêts• Océanographie• Archéologie, géologie• Surveillance urbaine• Gestion des risques environnementaux …

Concept « tout-en-un »

Applications• Climatologie• Agronomie, gestion des forêts• Océanographie• Archéologie, géologie• Surveillance urbaine• Gestion des risques environnementaux …

But : SETHI Offre mesures

radar & optronique

Objectifs : Mesures radar et/ou optroniques

Aspect multi-capteurs& complémentarité

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DOTA18

SETHI – Radar & Optronique

PODOptronique

SETHIMoyen

expérimental

PODRadar

DEMR/DOTA

Pointe avant

Données radar multi-bandesAcquisition

SOCRATES

Données optroniques multi-capteurs

Acquisition

Besoin caméra de contexte visible

+ moyen hyperspectral

Multi finalitésDomaines spectraux variés

Besoins optroniques et complémentarité

radar/optronique

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DOTA19


Porteur• Falcon 20• 160 - 320 knots• Autonomie : 2h30

Pods• Longueur 230 cm• Diamètre 53 cm• jusqu’à 120 Kg• Radome 10 MHz – 18 GHz

Capteurs• 4 radars • 2 charges optroniques

CEV

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DOTA20


Concept ONERA

• Modulaire – Evolutif

• Possibilité de modification des configurations d’acquisition

en vol (radar)

• Pilotage des instruments en vol

• Optronique – mesures simultanées

• Approche « Plug and play »

• Instrumentations distribuées en pod et cabine

• Passage câblage dans les ailes : communication et contrôle

• Concept Pod : Facilité d’évolution

• Certification FAA pour les pods (matrice d’inertie)

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DOTA21


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DOTA22


Charges

optroniques

Charges

radars

Caméra hyperspectrale(NEO HySpex VNIR-1600)Si CCD, 1600 pixels, 12 bits

Bande 0.4 – 1.0 µm160 bandes spectrales, ∆λ = 3.7 nm

Caméra hyperspectrale(NEO HySpex VNIR-1600)Si CCD, 1600 pixels, 12 bits

Bande 0.4 – 1.0 µm160 bandes spectrales, ∆λ = 3.7 nm

Caméra de contexte(IGN CamNum v2)

Caméra CCD 39 MpixelsVisée latérale, compensation de filé

Haute résolution spatiale dans le visible

Caméra de contexte(IGN CamNum v2)

Caméra CCD 39 MpixelsVisée latérale, compensation de filé

Haute résolution spatiale dans le visible

Caméra hyperspectrale(NEO HySpex SWIR-320m-e)

HgCdTe, 320 pixels, 14 bitsBande 1.0 – 2.5 µm

256 bandes spectrales, ∆λ = 6.25 nm

Caméra hyperspectrale(NEO HySpex SWIR-320m-e)

HgCdTe, 320 pixels, 14 bitsBande 1.0 – 2.5 µm

256 bandes spectrales, ∆λ = 6.25 nm

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DOTA23

Mecanique – Définition des interfaces Electrique, informatique … (C Coudrain) Laboratoire

Etudes

Calculs

Réalisation

Besoins instrumentation

Structure pod

Disponibilité cabine

Intégration des moyens

Développement connectique

Architecture

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DOTA24


CamV2CamV2CamV2CamV2

HyspexHyspexHyspexHyspex

(IGN)

(NEO)

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DOTA25

Optronique Pointe avant SETHI

Besoin de caméra contexteDomaine visible

Identification des Visées radar par données optiques

But

Expérience 2007 implantation caméra CAHYD Hyperspectral

Fin 2009 : Choix de la caméra de contexte visible

2010 : Implantation de la caméra de contexte visible

Printemps 2011 : Premier vol

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DOTA26

Optronique Pointe avant SETHI

Besoin donnéeshyperspectrales

Besoin de produits issus deTraitements données radar et optronique

But

2010 : Implantation dans pointe avant

Printemps 2011 : Premier vol

Expérience 2007 implantation caméra CAHYD Hyperspectral

2009 : Choix des caméras hyperspectrales

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DOTA27

Mecanique – Définition des interfaces mécaniques(C Coudrain) Laboratoire

Caméra de contexte

Etudes

Calculs

Réalisation

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DOTA28

Montage sur Pod

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DOTA29

Montage sur Pod

Décembre 2010 Montage des deux instruments optroniques sur Pod

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DOTA30

Conclusion

Premier vol - Printemps 2011

● Nouvelle configuration de prise de vue – 45°

● Premier fonctionnement en pod & fibres optiques

● Premier test des logiciels de traitement

But : visualisation de la fauchée radar

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DOTA31

Perspectives

Montage en pod de plusieurs caméras Exemple : Exploitation des zones d'ombres , Classification des matériaux urbains, Détection des zones émergées …

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DOTA32

SETHI NG au service de nombreuses applications

Analyse quantitative des forêts

Détection d’eau desub-surface en milieu aride

Mesure MNT sous biomasse

Gestion des cultures

Caractérisation desétats de surface du sol

Biodiversité et écosystèmes

Mesure de la salinité Mesure des courantsGestion des corridors rivulaires

Gestion des ressourcesen eau solide et liquide

Qualité de l’air

Îlots de chaleur urbains

Pollution des sitesurbains ou industrielsGestion de la croissance urbaineSurveillance du trafic routier

Biomasse

Eau

Surveillance des milieux urbains et industriels

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DOTA33

CamV2 – Application hors cellule

� Architecture envisagée pour l’intégration de la caméra IGN CamV2 en pod (projet Sethi)

� Tenue en température ?

� Transmission des images ?

� Quelques précautions…

Récepteur GPS avion

Rack de contrôle et stockage CamV2

Ecran CamV2

Clavier

Souris

coupleur

VGA USB RS232

Synchro image

BNC

Tête de caméra

Données images

Alimentation 28V=

Datation image

Alim POD

Synchro/Alim

Caméra Link

Alim écran

Option FO ou

CUIVRE

CABINE AVION AILE POD

!

!

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DOTA34

� Pas de dysfonctionnement constaté, léger givrage su r filtre vers 0°C

CamV1 – Tenue en température

� Protocole d’essais

� caméra en fonctionnement à température cste

� 8 séries de mesure de -10°C à +35C

� Pour chaque série de mesure

� 2 h d’acquisitions dès la mise sous tension

� Période d’acquisition d’image: 2 mn

� Pour chaque période acquisition:� d’une image en éclairement � 3s plus tard, image en obscurité

� Objectif des essais : Comportement fonctionnel, Sensibilité radiométrique, (gain, offset)

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DOTA35

CamV1 – Comportement de l’offset

� Rappel: tests à luminance constante en entrée objectif � )BX(AL ijijij-×=

� A température ambiante cste,durant les 2 h après la mise soustension caméra� Le niveau en obscurité Bij augmente

mais la correction est possible parla soustraction de la référence de noir

de chaque image

� Est-ce que le gain est constant ?

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DOTA36

CamV1 – Comportement du gain

� Température variable de -10°C 0 +35°C

� Rappel: tests à luminance constante en entrée objectif � )BX(AL ijijij-×=

� Quel que soit le temps après la mise sous tension d es camérasL'écart Xij – Bij augmente de 3% lorsque la température baisse de 35°à – 10°C

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DOTA37

CamV1 – Comportement correct en t°

� Bilan des essais en température

Le gain de la caméra est indépendant du temps à T°co nstante

Le gain de la caméra est dépendant de la températur e ambiante

Le fonctionnement de la caméra est correct de +5°à + 35°C

� Décision : � Variation de gain acceptable pour la première application en pod

� Maintenir la température de la caméra en pod entre + 5°C et +35°C

� Moyens envisagés : - Isolation caméra et enveloppe objectif chauffante

- Ventilation du filtre optique

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DOTA38

� Liaison actuelle� Type de bus de transfert: Caméra Link, protocole de transfert LOEMI

� Vitesse de transfert : mots de 24 bits à 40 Mhz soit 960 Mbits/s (~1 Gbit/s)

� Spécification du projet :� Monter le pod sur 2 avions différents� Aucun n'est équipé de câbles Caméra Link

� Contraintes de la liaison Caméra Link dans l'aile e t le pod� Longueur maximum de la liaison Caméra Link 10 m

� Encombrement et poids importants pour l'aile et le pod

� Utilisation du câble exclusive à ce protocole

� Objectif : Coupler la caméra et le rack IGN par fib res optiques� Débit important, connectique réduite, légèreté,

� Liaison exploitable par d'autres protocoles et instruments

CamV2 – Transmission d’image

Rack de contrôle et stockage CamV2 Tête de caméra

Données images

Caméra Link

CABINE

AILE

POD

L=4 m D=10mm

L=4 m D=3mm

2 câbles CaméraLink

(fils de cuivre)

2 fibres optiques (Même échelle)

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DOTA39

CamV2 – Spécification fibre optique

� Équipement disponible sur chacun des 2 avions

� Avion civil � multimode 200/230 µm � débit faible, peu de sensibilité aux poussières

� Avion militaire � multimode 62,5/125 µm � débit élevé, plus sensible aux poussières

� Installer monomode 9/125 µm ? � débit très élevé, grande sensibilité aux poussières

� Recherche du convertisseur CaméraLink fibres optiques� Quelle longueur d'onde pour la transmission dans la multimode 62,5/125 µm ?

Longueur d'onde 850 nm 1300 nm

Atténuation linéïque 3,2 dB/km 0,9 dB/km

Bande passante min 200 Mhz.km 500 Mhz.km

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DOTA40

� Existe-t-il un convertisseur CaméraLink fibres optiquecompatible avec les spéc.� Fibre 62,5/125 µm, 1300 nm� Format 24 b, 40 Mhz ~1 Gb/s

� Bilan de puissance = f (o.n., d, att)� Budget dBm: (-9) – (-15)=+6dBm

� d 62,5 µm � d 50 µm: - 2 dB

� d 200 µm � d 50 µm: -15 dB

� Attén. liaison f.o. avion: -1dB

� Crédit résiduel de puissance pour la liaison complè te : +3 dBm

CamV2 – Choix convertisseur fibre

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DOTA41

CamV2 � Liaison caméra-rack à fibre

� Aucun pilote de logiciel à installer

� Aucune connectique à modifier*

� Longueur de la transmission

jusqu'à 500 m

� Transmission avec une seule fibre

par caméra et en "full duplex"

� Conservation de toutes lesperformances de la caméra camV2

� Caméras CamV2 compatibles avec l'un des 2 avions du projet SETHI

* Ajouter l'alimentation des modules (12V disponible sur racks et caméras)

� Modules à fibre optique directement compatibles avec l a camV2 IGN

L=20 m d=3mm

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DOTA42

MERCI !

Etalonnage absolu de Pelican en vol, au dessus……du pré de l'IGN/SAA à Creil

MERCI À TOUS !

L'équipe mires au sol

Devant le hangar

Extrait d'un couple image stéréo - IGN/SAA 2009 - 10 cm

nouveaux concepts d'utilisation des caméras ign (camnum v2)

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