Maîtrise d'informatique - Module 11 Vision par ordinateur - Cours Chapitre 1 : 1. Qu'est-ce que la vision ? 2. Rappels d'optique géométrique. 3. Quelques instruments d'optique usuels.

1. Qu'est-ce que la vision ?

1.1. La vision humaine.

1.1.a. Définition.

vision = vue + perception

1.1.b. Les quatre fonctions de la vision humaine.

• Vision des formes (1 oeil ~ 2 yeux).

• Vision des distances (1 oeil << 2 yeux) -> ce qui nous intéresse dans ce cours.

• Vision des couleurs (1 oeil ~ 2 yeux).

• Vision des mouvements (1 oeil << 2 yeux).

1.2. La vision par ordinateur.

1.2.a. Définition.

On essaie de reproduire la vision humaine pour donner de l'autonomie à un robot équipé de 2 caméras.

1.2.b. Les différents domaines de la vision par ordinateur.

• Reconnaissance des formes (1 image ~ 2 images) -> module 18.

• Reconnaissance du relief (1 image << 2 images) -> objet de ce cours.

• Couleur (1 image ~ 2 images) -> non vu en maîtrise.

• Mouvement (1 image << 2 images) -> non vu en maîtrise.

1.3. Vision humaine et vision par ordinateur.

La vision humaine est :

• ce qui motive les recherches en vision par ordinateur ("si l'homme y parvient ...") ;

• le modèle de vision vers lequel la vision par ordinateur essaie de tendre, car :

• l'oeil est une caméra très performante ;

• le cerveau est un ordinateur très performant.

L'étape 1 est plus facile à copier que l'étape 2 :

• 1 : formation d'images numériques (suite de ce chapitre) ;

• 2 : interprétation d'images numériques (chapitres suivants de ce cours).

Suite du chapitre 1 :

• 2. Rappels d'optique géométrique.

• 3. Quelques instruments d'optique usuels.

2. Rappels d'optique géométrique.

2.1. Les trois types d'objets vis-à-vis de la réémission de la lumière.

• Objet transparent ou "réfractant" :

      2^ème loi de Descartes

• Objet parfaitement "réfléchissant" :

1^ère loi de Descartes

• Objet parfaitement "diffusant" ou lambertien :

              loi de Lambert

Dans la réalité : le comportement d'un matériau est un mélange de ces trois situations extrêmes.

Exemple :

Un pare-brise de voiture sale :

• réfracte la lumière : c'est ce qui est le plus important ;

• réfléchit la lumière ;

• diffuse la lumière : c'est ce qui est le plus gênant.

2.2. Le stigmatisme : propriété fondamentale n^o 1.

2.2.a. Montage optique usuel.

2.2.b. Définition du stigmatisme.

Si l'objet est partiellement diffusant, en un point éclairé A_o de sa surface, tous les rayons réémis qui entrent dans le système optique en ressortent, après quelques réfractions, et se croisent en un même point A_i.

Cette propriété fondamentale s'appelle le "stigmatisme". Elle n'est pas toujours rigoureusement vraie. En particulier, elle n'est vraie que si les rayons issus de A_o forment un angle inférieur ou égal à 10^o avec l'axe optique ("conditions de Gauss").

S'il y a stigmatisme, on peut considérer qu'il y a une bijection entre les points de l'espace objet et les points de l'espace image.

2.3. La formation des images.

2.3.a. Grandissements.

• Grandissement transversal au point A_o :

• Grandissement axial au point A_o :

2.3.b. Où placer le récepteur ?

Si l'objet est plan :

Sinon :

Le point B_o a une image nette, mais pas A_o et C_o qui auront des images floues.

2.3.c. Relation entre ces deux grandissements : propriété fondamentale n^o 2.

Les deux grandissements sont liés par la relation fondamentale suivante :

      (anisotropie)

Cette relation est à la base de la formation des images car :

Donc, un objet non plan a une image quasi-plane, et il suffit de placer le récepteur dans ce quasi-plan, et on aura une image quasiment nette de l'objet.

Exemple du photomaton :

Il y a alors bijection entre points objets visibles et points du plan image :

On dit "qu'on perd une dimension" ou "qu'on passe du 3D au 2D".

La reconnaissance du relief consiste à réaliser l'opération inverse de la formation des images : on souhaite "retrouver la 3^ème dimension", ou encore "passer du 2D au 3D".

Remarques :

• 

Donc les macro-photos sont nettes seulement pour les points d'un même plan.

• Le grandissement est différent du "grossissement" (dont on ne parlera pas).

2.4. Points particuliers d'un instrument optique.

Pour tout instrument d'optique, il existe différents types de points remarquables :

• Les foyers (sur l'axe optique).

• Les points nodaux (sur l'axe optique).

• Les plans principaux.

2.4.a. Foyers.

2.4.b. Points nodaux.

2.4.c. Plans principaux.

Remarque :

2.4.d. Distance focale.

2.4.e. Cas particulier.

Un exemple d'instrument d'optique vérifiant cette propriété est celui des "lentilles minces".

3. Quelques instruments d'optique usuels.

3.1. L'oeil.

3.1.a. L'oeil normal.

C'est un instrument d'optique assimilable à une lentille mince, de distance focale égale à 17 mm, et de diamètre égal à 25 mm.

Au repos, la rétine est dans le plan focal image (F' se trouve sur la rétine). Grâce aux muscles ciliaires, on peut bomber le cristallin et diminuer la distance focale, et ainsi effectuer une "mise au point" sur des objets rapprochés, jusqu'à 30 cm environ sans se fatiguer ("punctum proximum").

L'oeil est un instrument d'optique à distance focale variable, grâce au cristallin. Sans cristallin, la distance focale devient fixe, et on ne peut voir net qu'à l'infini, à moins de corriger ce défaut par des lunettes.

3.1.b. Défauts de l'oeil.

• Myopie : scène "à l'infini" -> image en avant de la rétine => lunettes divergentes ;

• Hypermétropie : l'inverse => lunettes convergentes ;

• Presbytie : vient avec l'âge. Le cristallin durcit, les muscles ciliaires s'avachissent, donc le "punctum proximum" augmente => lunettes convergentes ;

• Astigmatisme : défaut de symétrie dû à la cornée => lunettes cylindriques.

=> lunettes cylindriques

3.2. Appareil photographique et caméra CCD (Coupled Charge Device).

3.2.a. Schéma.

3.2.b. Les objectifs.

Dans un appareil photographique, l'instrument d'optique est en fait l'objectif, composé de 7, 8 ou 9 lentilles, qui est mobile par rapport au plan du récepteur. Le réglage de cette position s'appelle la "mise au point" ("autofocus" = mise au point automatique).

Remarque :

Dans l'appareil, la mise au point s'effectue sans changer la focale, contrairement à l'oeil. La distance focale standard est de 50 mm, le grandissement transversal < 1.

3.2.c. Cas particuliers d'objectifs.

Remarques :

• Pour une scène donnée, si la distance focale augmente, le grandissement transversalaugmente.

• Pour une distance focale donnée, augmente si la scène se rapproche. 

De ces remarques se déduisent les cas particuliers suivants :

• Zoom : objectif à distance focale variable, qui changesans changer la mise au point (assez compliqué à réaliser en respectant cette contrainte) ;

• Macrophotographie :, ce qui implique que la scène soit de la taille de la pellicule (exemple : insectes) ;

• Téléobjectif : pour une scène éloignée, on veut un grandissementgrand. Il faut donc augmenter la distance focale (~25 cm).

facile à réaliser mais trop grand

difficile à réaliser

3.2.d. Les récepteurs.

• Appareil photo : film photo -> signal analogique.

• Caméra CCD : réseau de cellules photosensibles -> signal discret E_i,j >= 0 ("niveau de gris") si image noir et blanc. Si image en couleurs, 3 "canaux" : RVB.