Convertisseur vidéo

Le principe de fonctionnement peut varier en fonction du type de convertisseur. Mais il joue partout le même rôle – il convertit un flux lumineux entrant par l'objectif en signal électrique qui contient avant tout des informations sur la clarté de l'image enregistrée. Contrairement à ce qu’on croit, le type de convertisseur utilisé est très important pour la qualité de l'image de départ.

Fig. 1. Convertisseur d’image du type CMOS de la caméra APTI-24C2-36W

Il y a deux types de convertisseurs – CCD et CMOS (fig. 2a et 2b) qui sont largement utilisés. Les caméras de vidéosurveillace utilisent le plus souvent ce deuxième type en raison de leur structure et de leurs possibilités. Par contre, les convertisseurs CCD apparaissent dans des caméras analogiques, de moins en moins populaires, qui fonctionnent en norme PAL. Vous trouverez ci-dessous une brève caractéristique de chacun d’eux.

Fig. 2a. Convertisseur type CCD

Fig. 2b. Convertisseur type CMOS

Convertisseur CCD (Charge Coupled Device) – un dispositif à conjugaison de charge.

Généralement, le prinicipe de fonctionnement d’un convertisseur CCD consiste à accumuler de la charge électrique sur des secteurs particuliers de la matrice du convertisseur, dits des pixels. Ceci est dû aux photons (de la lumière) qui tombent sur des pixels séparés les uns des autres, qui en frappent des électrons (fig. 3). On peut dire qu’un seul pixel est une sorte de récipient recueillant des électrons qui viennent d’être créés. Leur nombre est proportionnel à l'intensité de la lumière et au temps de leur exposition (fig. 4).

Ainsi, grâce à l’accumulation des quantités différentes d’électrons sur la matrice, il apparaît une carte qui est en quelque sorte un reflet d'image vue par la caméra. Il convient de noter que la matrice du convertisseur ne capture quede l’intensité de la lumière, sans couleurs des éléments particuliers de l’image ce que nous présenterons dans la suite du document.

La lecture des quantités d’électrons accumulés de chaque pixel est effectuée de façon séquentielle. Cela signifie que le transfert d'électrons à d'autres circuits électroniques ne se produit que dans les registres de lecutre qui sont situés le long d'une des lignes de la matrice. Une fois les électrons de la première ligne de la matrice sont lus, les électrons de la ligne suivante y arrivent, et leur place occupent des électrons de la ligne suivante. Toute la procédure est répétée jusqu'à ce que tous les pixels sont lus (fig. 5).

Ainsi, les charges de chaque pixel sont transmises à des circuits électroniques qui les transforment en une tension électrique correspondant à la quantité de lumière "capturée". En outre, les coordonnées d'un pixel sur la matrice du convertisseur sont ajoutées à chaque valeur. C’est une très brève description de la capturation d’image par le convertisseur.

D’où alors une image en couleur ? Pour expliquer ce fait il faut rappeler la construction de la matrice du convertisseur (fig. 6). Celle-ci est couverte de filtres RGB (rouge, vert, bleu), un par chaque pixel dans un schéma défini. Chaque filtre transmet de la lumière en une seule couleur. En effet, tout pixel enregistre la quantité de lumière en couleur particulière en fonction du filtre sous lequel il est situé. Comme les pixels ont leurs coordonnées nous connaissons l’intensité de la lumière et la couleur de chacun d’eux. Le reste est à la charge de l’électronique. Le processeur graphique du dispositif comporte une carte programmée de filtres qui sont disposés de la même façon que sur la matrice. Ainsi, il est possible de transformer l’image enregistrée par le convertisseur en version numérique.

Fig. 6. La matrice CCD est recouverte de filtres RGB dont chacun transmet de la lumière en couleur appropriée.

Il est intéressant de mentionner que la quantité de pixels avec des filtres qui transmettent de la couleur verte est deux fois plus grande que celle du reste des couleurs. En effet, le convertisseur d'image a été créé à base d'oeil humain qui, parmi toutes les couleurs primaires, est le plus sensible à la couleur verte.

Les filtres jouent encore un autre rôle très important – ils protègent contre la lumière infrarouge qui en effet est émise par chaque objet à une température supérieure au zéro absolu. Le convertisseur est sensible à l'ensemble de la bande de lumière visible et, contrairement à l'oeil humain, à la lumière infrarouge qui affecte la reproduction des couleurs et de la clarté.

En outre, à base des couleurs de 9 pixels dans un système 3x3 le processeur détermine la couleur résultante et l’enregistre à la place du pixel central (Fig. 7), puis il prend en compte les neuf pixels suivants en déplaçant le cadre d’un degré, et indique la couleur du pixel interne suivant. Ce processus est appelé l’interpolation et grâce à ce phénomène l'image est plus proche de la réalité.

La méthode d'interpolation décrite, à savoir la détermination de la couleur résultante (moyenne) à base des couleurs voisines, ne fonctionnera pas pour les pixels situés aux bords de la matrice. Evidemment, étant donné les dimensions actuelles des matrices utilisées dans la vidéosurveillance cela n’a aucune importance. Cependant, les fabricants d'appareils photo et de caméras, en particulier ceux de haute qualité, outre le nombre de pixels, ils indiquent le nombre de pixels effectifs. Ceci est le nombre de pixels réellement utilisés pour obtenir une image sans compter les pixels situés aux bords de la matrice de pixels ou d'autres pixels auxliaires.

Un convertisseur CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

Des semi-conducteurs présents dans ces convertisseurs, tant en terme de construction qu’en celui de mode de transmission des informations, s’appuient sur l'architecture des mémoires de masse. Ils se distinguent avant tout par la vitesse de fonctionnement et des besoins énergetiques réduites par rapport aux convertisseurs CCD. Le principe de fonctionnement est similaire au celui des convertisseurs CCD mais il y a une petite différence : tous les pixels sont lus de manière indépendante et non de manière séquentielle. Cela résulte du fait que chaque pixel dans une matrice CMOS a son propre convertisseur de charge à la tension et a son adresse de localisation. En effet, il est possible de lire tous les pixels au même moment (fig. 8).

Malheureusement, un tel système présente également des inconvénients. En raison de la nécessité d’introduire des éléments supplémentaires à l'intérieur du convertisseur, la distance entre les pixels est beaucoup plus grande que dans le cas de convertisseurs CCD. Ils ne sont pas si proches les uns des autres et par conséquent, le convertisseur est plus grand. Par conséquent, toute la matrice est moins sensible parce qu’une partie de la lumière tombe entre les éléments photosensibles au lieu de tomber dessus. Il y a encore un autre inconvénient majeur : il n’est pas possible de fabriquer plusieurs millions d'éléments photosensibles identiques où chaque convertisseur fonctionnerait avec la même précision. Finalement, il peut arriver que l'image qui doit être de couleur uniforme, contiendra des traces spécifiques appelées les bruits . Evidemment, en fonction de la classe de l'appareil, l'électronique responsable d’un traitement suivant d'une image peut résoudre ce problème dans une mesure plus ou moins grande.

La dimension du convertisseur installé dans une caméra est indiquée en pouces. En règle générale, plus le convertisseur est grand, plus les pixels sont nombreux, ce qui améliore la qualité d'image. Les dimensions les plus populaires des convertisseurs pour les vidéosurveillances sont de 1/3 "et 1/4". Il convient de mentionner que cela n'a rien à voir avec les dimensions réelles du senseur lui-mêmê. Cela vient des temps où une lampe cathode en verre jouait un rôle d’un convertisseur dans les caméras vidéo. Cependant, la dimension ne se rapportait pas à la lampe elle-même mais à son ampoule de protection en verre.

Par conséquent, à titre d’exemple, la dimension d’un convertisseur de 1" ressemble à la lampe cathode située à l’intérieur de l’ampoule en verre de 1 pouce. Pour simplifier il est possible d’admettre que la diagonale d’un convertisseur c’est environ deux tiers de son marquage. Les valeurs précisent figurent dans le tableau des dimensions.