L’endoscope est par définition un instrument optique, médical ou industriel, permettant la réalisation d’une endoscopie. Les endoscopes médicaux permettent la visualisation d’opérations chirurgicales intrusives, voire de micro chirurgie. Dans l’industrie, ils permettent l’observation d’endroits difficilement accessibles dans différents domaines d’applications.

Il existe différentes versions d’endoscopes, du rigide appelé boroscope au flexible dit flexoscope, ou fibroscope lorsqu’il utilise un faisceau de fibres optiques.

La construction de caméras miniaturisées a transformé la nature des endoscopes, initialement uniquement optique, et qui deviennent ainsi des vidéoscopes qui embarquent également le dispositif d’éclairage.

Mesures en laboratoire d’imagerie chez PISÉO

Les mesures et les tests qui sont réalisés au sein du laboratoire d’imagerie de PISÉO portent sur les caractéristiques suivantes, dont la plupart sont exigées pour obtenir une certification ou un agrément.

• Mesure du champ de vue et de la direction du champ de vue par rapport à la vitre distale de l’endoscope – Cette mesure se fait selon la méthode de test B de la norme ISO 8600-3, et les résultats sont confrontés aux exigences de la norme ISO 8600-1.
• Mesure de résolution et de réponse de l’endoscope aux fréquences spatiales – Cette mesure se réalise en utilisant soit l’éclairage interne de l’endoscope, soit en utilisant une source de lumière externe, l’éclairage interne de l’endoscope étant neutralisé. La source de lumière externe répond aux exigences de la norme ISO 12233 en termes d’uniformité de luminance ainsi qu’en terme de spectre d’émission.
• Mesure de distorsion sur une mire à damiers.
• Mesure du rapport signal à bruit (SNR) – Cette mesure peut être réalisé à température ambiante, ou bien en étuve à 37°C pour les endoscopes médicaux. Dans ce dernier cas, l’ensemble du dispositif de test et l’endoscope sont placés à l’intérieur d’une enceinte climatique, sans qu’il y ait besoin de l’ouvrir pour réaliser la mesure. L’équilibre thermique est ainsi maintenu pendant toute la durée du test – La source de lumière utilisée pour rétro-éclairer la mire de test répond à la norme ISO 12233 pour l’uniformité de sa luminance, et à la norme ISO 7589 pour son spectre d’émission – Les résultats de la mesure sont présentés selon les exigences de la norme ISO 15739.
• Mesure de l’uniformité des niveaux de gris de l’image (Image Intensity Uniformity) – Cette mesure se fait en utilisant un écran diffusant lambertien, illuminé par l’éclairage interne de l’endoscope, et selon les recommandations de la FDA.
• Rendu des couleurs et colorimétrie – La colorimétrie est mesurée sur une mire Rezchcker. Les différences de couleurs des plages colorées de la mire sont mesurées, et les valeurs DeltaE₀₀ et DeltaC₀₀ sont calculées.

Equipements de mesures et d’analyses pour endoscopes

Le laboratoire d’imagerie optique de PISÉO est doté de tous les équipements nécessaires pour réaliser les mesures citées ci-dessus. La liste ci-dessous en donne un aperçu.

• Logiciel d’analyse de qualité d’image IMATEST v22.1
• Mires standards réalisées suivant la norme ISO 12233, ou bien suivant un protocole spécifique défini avec notre Client
• Sources de lumière IMATEST avec une uniformité en luminance supérieure à 90%, dans le domaine visible (température de couleur 3100K)
• Chambre climatique Binder, référence MK115

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L’ensemble des systèmes ADAS mélange des capteurs de différentes technologies, allant du détecteur de proximité à ultrasons pour l’aide au stationnement, au détecteur RADAR d’angle mort, ou bien encore au LiDAR pour la détection d’obstacles sur l’avant du véhicule. Les capteurs ADAS à base de caméras, comme le système de Front Camera, permettent quant à eux la vue à 360° tout autour du véhicule, mais également, lorsqu’ils sont installés à l’intérieur de l’habitacle comme les systèmes DMS et OMS, de fournir des informations sur l’état de vigilance du conducteur, sur le nombre d’occupants et si leur ceinture de sécurité est bien attachée. Pour compléter les systèmes ADAS par caméra, les rétroviseurs électroniques, ou e-mirror offrent au conducteur une meilleure vue de l’environnement extérieur dans l’habitacle. Ces systèmes, aussi appelés CMS ou SRVM selon les constructeurs automobiles, sont constitués, en plus d’une caméra, d’un moniteur pour présenter le champ d’observation au conducteur dans les meilleures conditions.

Certains capteurs ADAS utilisant des caméras sont envisagés pour être installés dans des aéronefs.

Dans tous les cas, ces systèmes participent à augmenter le niveau de sécurité active et passive du véhicule, et doivent assurer une détection ou une mesure fiable et répétable de leur environnement, dans toutes les conditions d’usage. Ils doivent répondre aux exigences de la règlementation et aux normes applicables.

Pour garantir leur haut niveau de performance dans des usages de plus en plus larges, les besoins en caractérisation des performances de ces systèmes augmentent.

PISÉO, centre d’innovation et d’expertise en optique-photonique propose au sein de son laboratoire d’essais des prestations de caractérisation des systèmes ADAS qui embarquent des caméras.

Les Front Caméras

Le système « Front camera » est un dispositif qui est positionné derrière le pare-brise, au niveau du rétroviseur intérieur. Il observe l’espace situé devant le véhicule, pour lire les panneaux de signalisation routière tels que les panneaux de limitation de vitesse, d’interdiction de doubler ou de fin d’interdiction. Il permet également de fournir la nuit des informations au système de gestion des feux de route adaptatifs, en détectant l’entrée en agglomération, la présence d’autres véhicules venant en sens inverse ou bien circulant dans le même sens, afin de masquer le faisceau lumineux des phares dans les directions de ces véhicules pour ne pas éblouir leur conducteur. Il permet aussi de détecter la signalisation horizontale pour avertir le conducteur du franchissement non intentionnel d’une ligne continue ou en pointillés. Enfin, le système Front camera permet la détection d’un obstacle qui surviendrait devant le véhicule, tel qu’un piéton débouchant d’une file de véhicules stationnés le long de la voie de circulation.

Les tests et les caractéristiques mesurées sur ces systèmes sont décrits ci-après. Certains des tests sont réalisés dans les domaines visible et proche IR.

• Champ de vue du système (FOV) : permet de contrôler l’espace d’observation et de détection du système.
• Résolution spatiale du système : permet de mesurer la résolution spatiale du système, c’est-à-dire de déterminer les dimensions du plus petit objet détectable par le système. Cette mesure se fait au travers de la mesure de la MTF.
• Le rapport signal à bruit du système : permet de mesurer le pouvoir de détection du système en fonction du niveau de signal qu’il reçoit. Cette mesure se fait par la mesure du SNR.
• Distorsion : permet de mesurer la déformation de l’image délivrée par la caméra, pour la prendre en compte dans les algorithmes de détection. Elle est mesurée en utilisant une mire à damier.
• Rendu des couleurs – Colorimétrie : la colorimétrie est mesurée sur une mire Rezchcker. Les différences de couleurs des plages colorées de la mire sont mesurées, et les valeurs DeltaE₀₀ et DeltaC₀₀ sont calculées.

Normes et réglementation

Pour réaliser les caractérisations, les experts de PISÉO s’appuient sur des méthodes d’essais reconnues (normes internationales). Ils sont également en mesure de développer des protocoles et des scripts en Python pour la réalisation d’essais spécifiques. La liste ci-dessous présente une liste de normes non exhaustive maîtrisées par notre laboratoire.

• ISO 12233 : Imagerie des prises de vues électroniques — Résolution et réponses en fréquence spatiale
• ISO 15739 : Imagerie des prises de vue électroniques — Mesurages du bruit
• ISO 14524 : Appareils de prises de vue électroniques — Méthodes de mesure des fonctions de conversion opto-électroniques
• ISO 7589 : Photographie — Illuminants sensitométriques — Spécifications pour la lumière du jour, la lumière artificielle et la tireuse

PISÉO assure également une veille permanente de l’évolution des règlements et normes au niveau mondial.

Équipements de mesures et d’analyses pour caméras

Le laboratoire d’essais de PISÉO est doté de tous les équipements nécessaires pour réaliser les mesures citées ci-dessus. La liste ci-dessous en donne un aperçu.

• Logiciel d’analyse de qualité d’image IMATEST v22.1
• Mires standards réalisées suivant la norme ISO 12233, ou bien suivant un protocole spécifique défini avec notre Client
• Sources de lumière IMATEST avec une uniformité en luminance supérieure à 90%, dans le domaine visible (température de couleur 3100K) et dans le proche IR (940 nm) pour le rétroéclairage des mires de test
• Collimateurs de 70° et 150° d’angle de champ de vue permettant de réaliser des mesures sur des mires situées à des distances comprises entre 400 mm et l’infini

Les CMS et SRVM

Le système CMS (Camera Monitor System), appelé également SRVM (Smart Rear Virtual Mirror), ou bien encore miroir électronique (e-mirror), se compose en général de deux caméras, d’écrans d’affichage à l’intérieur du cockpit et d’une unité de contrôle électronique. Il remplace les traditionnels rétroviseurs extérieurs pour offrir au conducteur une meilleure vue de l’environnement extérieur dans l’habitacle. Le champ de vision est plus large, ce qui améliore la visibilité dans de mauvaises conditions météorologiques ou d’éclairage, et permet également de donner les alertes de sécurité. Grâce à sa légèreté et sa forme profilée, il contribue également à réduire les émissions de CO2 et à économiser l’énergie.

Les tests et les caractéristiques mesurées sur ces systèmes sont les suivants :

• Agrandissements : mesure du grossissement et du ratio d’aspect du système.
• Netteté et profondeur de champ : déterminé par la mesure de MTF.
• Pouvoir de résolution : le pouvoir de résolution est mesuré au travers de la mesure de MTF en plusieurs points du champ de vue.
• Distorsion : la mesure de distorsion géométrique est réalisée sur une mire à damier.
• Contrastes : la mesure des contrastes se réalise dans différentes conditions d’illumination de la caméra, dont une sous éblouissement, et différentes conditions d’illumination de l’écran.
• Uniformité : l’uniformité directionnelle et l’uniformité latérale sont mesurées sous conditions diurnes avec lumière du jour diffuse.
• Artéfacts : l’analyse du nombre de tâches qui apparaissent à l’écran lorsque la caméra est éblouie par une source de lumière intense.
• Rendu des couleurs – Colorimétrie : la colorimétrie est mesurée sur une mire Rezchcker. Les différences de couleurs des plages colorées de la mire sont mesurées, et les valeurs DE₀₀ et DC₀₀ sont calculées.
• Nuances de gris : 8 niveaux de gris sont mesurés, et une analyse de leur perception est réalisée.
• Scintillement : mesure du scintillement selon la norme ISO 13406-2:2001.
• Temps de latence : mesure du temps entre l’apparition d’un signal lumineux devant la caméra, et son apparition sur l’écran du système.
• Temps de formation de l’image : la mesure du temps de formation de l’image est réalisée selon la norme ISO 9241-305:2008

Normes et réglementation

Pour réaliser les caractérisations, les experts de PISÉO s’appuient sur des méthodes d’essais reconnues (normes internationales). Ils sont également en mesure de développer des protocoles et des scripts en Python pour la réalisation d’essais spécifiques. La liste ci-dessous présente une liste de normes non exhaustive maîtrisées par notre laboratoire :

• Règlement 46 de la Commission économique pour l’Europe des Nations unies (CEE-ONU) — Prescriptions uniformes relatives à l’homologation des systèmes de vision indirecte et des véhicules à moteur en ce qui concerne le montage de ces systèmes
• ISO 12233 : Imagerie des prises de vues électroniques — Résolution et réponses en fréquence spatiale
• ISO 15739 : Imagerie des prises de vue électroniques — Mesurages du bruit
• ISO 14524 : Appareils de prises de vue électroniques — Méthodes de mesure des fonctions de conversion opto-électroniques
• ISO 7589 : Photographie — Illuminants sensitométriques — Spécifications pour la lumière du jour, la lumière artificielle et la tireuse

PISÉO assure également une veille permanente de l’évolution des règlements et normes au niveau mondial.

Équipements de mesures et d’analyses pour caméras

Le laboratoire d’essais de PISÉO est doté de tous les équipements nécessaires pour réaliser les mesures citées ci-dessus. La liste ci-dessous en donne un aperçu :

• Logiciel d’analyse de qualité d’image IMATEST v22.1
• Mires standards réalisées suivant la norme ISO 12233, ou bien suivant un protocole spécifique défini avec notre Client
• Sources de lumière IMATEST avec une uniformité en luminance supérieure à 90%, dans le domaine visible (température de couleur 3100K) et dans le proche IR (940 nm) pour le rétroéclairage des mires de test
• Collimateurs de 70° et 150° d’angle de champ de vue permettant de réaliser des mesures sur des mires situées à des distances comprises entre 400 mm et l’infini

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Il est important de bien connaitre les caractéristiques optiques d’un système AR, VR ou MR afin de bien dimensionner l’application logicielle qui lui sera associée pour en obtenir les performances maximales.

Pour un Client du domaine médical, PISÉO a développé un protocole d’essais permettant de connaitre les performances optiques réelles du système AR sélectionné en lien avec son application logicielle, ceci en vue d’une certification FDA pour le marché américain. Les mesures des performances optiques de ces systèmes ont été réalisées dans le laboratoire de PISÉO, dans un environnement maitrisé et contrôlé et avec des équipements d’essais étalonnés sous accréditation ISO 17025 (portée disponible sur www.cofrac.fr). Ils suivent les recommandations données par les normes IEC 63145-20-20 et IDMS v1.1a.

La réalité augmentée (AR pour augmented reality) permet de superposer du contenu numérique au monde réel (objets virtuels, informations, etc.). L’utilisateur voit toujours l’environnement réel, avec en surimpression cette couche de contenu numérique. L’affichage s’effectue sur un écran visible par l’utilisateur, le plus souvent via des lunettes de réalité augmentée ou via un smartphone avec une application spécifique offrant des capacités de réalité augmentée.

A l’inverse de la réalité augmentée, la réalité virtuelle (VR pour virtual reality) englobe toutes les expériences immersives disponibles via un casque de réalité virtuelle (aussi appelé HMD pour head-mounted display). L’utilisateur est totalement coupé du monde réel, dans un environnement virtuel visible grâce au casque de réalité virtuelle.

Particulièrement utilisée dans le domaine du médical pour assister les équipes en pré-opératoire, la réalité virtuelle projette l’utilisateur dans un environnement virtuel en 3D via un casque de réalité virtuelle afin d’être en totale immersion. L’utilisateur peut ainsi tourner la tête à 360° autour de lui, se déplacer dans l’espace et interagir avec l’environnement virtuel grâce à des manettes par exemple.

La Réalité Virtuelle (ou VR) repose sur 3 piliers : l’interaction, l’immersion et le sentiment de présence qui fonctionnent ensemble pour créer un environnement virtuel réaliste.

Quant à la réalité mixte (MR pour mixed reality), elle combine plusieurs technologies. Un casque de réalité mixte permet d’intégrer des éléments virtuels dans le monde réel en permettant à ces éléments d’interagir avec l’environnement. L’utilisateur n’est pas coupé du monde réel, il peut voir au travers du casque ou des lunettes de réalité mixte.

Cette technologie mixe réalité augmentée et réalité virtuelle, ce qui augmente son potentiel par rapport à la seule réalité virtuelle.

Les systèmes AR, VR ou MR se présentent dans différents secteurs. Certains sont connectés à un PC et sont pilotés par une application du type Windows Mixed Reality, alors que d’autres sont autonomes. D’autres encore utilisent un smartphone sur lequel est téléchargée une application dédiée.

Protocoles de tests de performance des systèmes AR VR

De nombreux tests de performance sont réalisés sur ces systèmes, mais beaucoup d’entre eux le sont avec des protocoles mal définis ou pas définis du tout. Ces mesures sont fréquemment effectuées avec des conditions expérimentales mal maitrisées et non contrôlées. Le manque de rigueur lors de la réalisation de ces mesures ou contrôles peut aussi fausser leur résultat. Dans ces conditions, il est difficile de comparer les systèmes commercialisés de manière objective. Forte de sa longue expérience en mesure de performance des systèmes optiques et de son accréditation ISO 17025 (portée disponible sur www.cofrac.fr), PISÉO est en mesure de développer des protocoles d’essais pour tester les systèmes AR VR.

Tests de performance en laboratoire

A la demande d’un Client du domaine médical, des tests de performance ont été réalisés sur des lunettes de réalité mixte Hololens2 de Microsoft au sein du laboratoire de PISÉO. Ces tests ont fait l’objet au préalable d’une analyse des spécifications de la FDA et de la définition d’un protocole rigoureux répétable et reproductible. Ce dernier s’appuie sur des méthodes d’essais spécifiques reconnues internationalement et la pratique de la mesure de qualité d’image de PISÉO.  Les essais réalisés ont ainsi porté sur les aspects suivants :

• La mesure de la résolution spatiale des lunettes par la mesure du contraste de Michelson sur des mires à grilles verticale et horizontale selon les préconisations de la norme IEC 63145-20-20:2019. Ces mesures ont été réalisées dans le noir et pour plusieurs niveaux d’éclairement de lumière ambiante. Les niveaux d’éclairement de lumière ambiante ont été générés par un illuminateur du laboratoire de PISÉO, et mesurés par un appareil de mesure du laboratoire de PISÉO étalonné sous accréditation ISO 17025 (portée disponible sur www.cofrac.fr).
• La mesure de contraste sur mire à damier selon la norme IEC 63145-20-20:2019, pour plusieurs niveaux de lumière ambiante.
• La mesure de luminance et d’uniformité de luminance selon la norme IEC 63145-20-20:2019.
• La mesure de distorsion géométrique selon la norme IEC 63145-20-20:2019.
• La mesure de persistance spatiale pour laquelle le protocole a été établi par PISÉO. La persistance spatiale est l’écart de la vitesse de déplacement entre un objet réel perçu au travers des lunettes Hololens2, et un objet virtuel projeté sur l’écran des lunettes. Si la persistance spatiale est trop importante, elle peut rendre l’utilisateur des Hololens2 mal à l’aise.

La technologie d’affichage de l’écran des Hololens2 utilisant le balayage d’un faisceau laser, il a fallu adapter la fréquence d’acquisition de la caméra de mesure (ou LMD pour Light Measuring Device) à la fréquence de balayage du faisceau laser.

Chacune des mesures présentées ci-dessus a été réalisée sur chacun des oculaires des lunettes Hololens2.

L’alignement du LMD (Light Measuring Device), dans notre cas il s’agissait d’une caméra matricielle, a été effectué selon les recommandations décrites dans le chapitre consacré aux tests sur les NED (Near Eye Display) du standard IDMS v1.1a.

Les mesures en laboratoire ont permis au client de qualifier différents paramètres des Hololens et ainsi de s’assurer de la performance de leur système de VR. In fine, les essais réalisés par PISÉO ont permis au client d’obtenir la certification FDA pour vendre son application sur le marché américain.

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