Correction du flou de mouvement dans les images à photon unique

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Crédit: Domaine public Pixabay / CC0

L’imagerie à photon unique est l’avenir de la photographie numérique à grande vitesse et surpasse largement les appareils photo conventionnels dans des conditions de faible éclairage. Cependant, corriger le flou causé par le mouvement d’objets indépendants reste difficile. Récemment, des chercheurs de l’Université des sciences de Tokyo ont développé une approche innovante de suppression du flou qui estime avec précision le mouvement des objets individuels et ajuste l’image finale en conséquence. Leur stratégie produit des images de haute qualité même dans des scènes dynamiques complexes et peut trouver des applications en médecine, en science et en sécurité.

La technologie d’imagerie a parcouru un long chemin depuis le début de la photographie au milieu du 19e siècle. Désormais, de nombreuses caméras à la pointe de la technologie pour des applications exigeantes reposent sur des mécanismes très différents de ceux des appareils destinés aux consommateurs. L’une de ces caméras utilise ce que l’on appelle «l’imagerie à photon unique», qui peut produire des résultats nettement supérieurs dans des conditions sombres et des scènes dynamiques rapides. Mais en quoi l’imagerie à photon unique diffère-t-elle de l’imagerie conventionnelle?

Lorsque vous prenez une photo avec un appareil photo CMOS ordinaire, comme ceux des smartphones, le capteur de l’appareil photo est ouvert à un grand afflux de photons pendant un temps d’exposition prédéfini. Chaque pixel de la grille du capteur délivre une valeur analogique qui dépend du nombre de photons qui frappent ce pixel pendant l’exposition.

Cependant, ce type d’imagerie a peu de moyens de traiter les objets en mouvement; le mouvement de l’objet doit être beaucoup plus lent que le temps d’exposition pour éviter le flou. En revanche, les caméras à photon unique capturent une rafale rapide d’images consécutives avec des temps d’exposition individuels très courts. Ces images sont binaires – une grille de 1 et de 0 qui indiquent respectivement si un photon est arrivé à chaque pixel ou non pendant l’exposition. Pour reconstruire une image réelle à partir de ces trames binaires (ou plans de bits), beaucoup d’entre elles doivent être traitées en une seule image non binaire. Ceci peut être réalisé en attribuant différents niveaux de luminosité à tous les pixels de la grille, en fonction du nombre de plans de bits ayant un « 1 » pour chaque pixel.

Outre sa vitesse plus élevée, la nature entièrement numérique de l’imagerie à photon unique permet de concevoir des algorithmes de reconstruction d’image intelligents qui peuvent compenser des limitations techniques ou des scénarios difficiles. À l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, le professeur Takayuki Hamamoto a dirigé une équipe de recherche axée sur l’amélioration des capacités de l’imagerie à photon unique. Dans la dernière étude du professeur Hamamoto et de son équipe, publiée dans Accès IEEE, ils ont développé un algorithme très efficace pour corriger le flou provoqué par le mouvement dans les objets imagés, ainsi que le flou courant de l’image entière tel que celui causé par le tremblement de la caméra.

Leur approche aborde de nombreuses limites des techniques de suppression du flou existantes pour l’imagerie à photon unique, qui produisent des images de faible qualité lorsque plusieurs objets de la scène se déplacent à des vitesses différentes et se chevauchent dynamiquement. Au lieu d’ajuster l’image entière en fonction du mouvement estimé d’un seul objet ou sur la base de régions spatiales où l’objet est considéré comme en mouvement, le procédé proposé emploie une stratégie plus polyvalente.

Premièrement, un algorithme d’estimation de mouvement suit le mouvement des pixels individuels grâce à des évaluations statistiques de la façon dont les valeurs de bits changent au fil du temps (sur différents plans de bits). De cette manière, comme démontré expérimentalement par les chercheurs, le mouvement des objets individuels peut être estimé avec précision. « Nos tests montrent que la technique d’estimation de mouvement proposée a produit des résultats avec des erreurs de moins d’un pixel, même dans des conditions d’obscurité avec peu de photons incidents », remarque le professeur Hamamoto.

L’équipe a ensuite développé un algorithme de suppression du flou qui utilise les résultats de l’étape d’estimation de mouvement. Ce second algorithme regroupe des pixels avec un mouvement similaire, identifiant ainsi dans chaque plan binaire des objets séparés se déplaçant à des vitesses différentes. Cela permet de brouiller chaque région de l’image indépendamment en fonction des mouvements des objets qui la traversent. À l’aide de simulations, les chercheurs ont montré que leur stratégie produisait des images très nettes et de haute qualité, même dans des scènes dynamiques à faible éclairage encombrées d’objets se déplaçant à des vitesses disparates.

Dans l’ensemble, les résultats de cette étude montrent à juste titre à quel point l’imagerie à photon unique peut être améliorée si l’on s’attend à développer des techniques de traitement d’image efficaces. « Des méthodes permettant d’obtenir des images nettes dans des situations à photons limités seraient utiles dans plusieurs domaines, notamment la médecine, la sécurité et la science. Nous espérons que notre approche débouchera sur une nouvelle technologie pour une imagerie de haute qualité dans des environnements sombres, comme l’espace extra-atmosphérique, et enregistrement lent qui dépassera de loin les capacités des caméras les plus rapides d’aujourd’hui », déclare le professeur Hamamoto. Il déclare également que même les appareils photo grand public pourraient bénéficier en temps opportun des progrès de l’imagerie à photon unique.


Des scientifiques réalisent une imagerie à photon unique sur 200 kilomètres


Plus d’information:
Kiyotaka Iwabuchi et al, Améliorations de la qualité d’image basées sur la suppression du flou basé sur le mouvement pour l’imagerie à photon unique, Accès IEEE (2021). DOI: 10.1109 / ACCESS.2021.3059293

Fourni par l’Université des sciences de Tokyo

Citation: «  Unmaking  » a move: Correcting motion blur in single-photon images (2021, 10 mai) récupéré le 10 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-unmaking-motion-blur-single-photon- images.html

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