Brevet FR2519138A1 — publié le 19830701

PROCEDE EJT APPAREIL AUTOMATIQUE POUR LA NUMEATION D'UNE SURFACE TRIDIMENSIONNELLE La présente invention concerne un appareil pour la numérisation d'une surface tridimensionnelle, c'est--dire pour la détermination des coordonnées de tous les points de la surface et, plus particulièrement, un appareil du genre considéré faisant appel a un balayage de la surface considérée. L'analyse d'une surface ou d'un volume et sa numerisation auto matique sont des étapes importantes en conception assistée par ordinateur, en reconnaissance des formes et en robotique. Les applications de ces techniques relevent de la mécanique (dessin automatique et améliorations des pièces, etudes d'assemblages, etc.) de l'architecture et des sciences et l'environnement (études d'implantations a partir de maquette), de la robotique industrielle (apprentissage et optimisation de fonctions) ainsi que de nombreux autres domaines en développement (simulation de vqls pour ecoles de pilotage, "design industriel, création artistique, orthométrie médicale et judiciaire, etc.). Des appareils automatiques a balayage par laser pour la numérisa tion des surfaces ont été proposes dans l'art antérieur. Le brevet français 2 129 747 du 17 mars 1972 a décrit un appareil dans lequel une surface est balayée par lignes successives par un faisceau laser devie par un dispositif acousto-optique et le faisceau réfléchi ou diffuse par la surface est focalisée sur une matrice de photodétecteur. On mesure l'angle du faisceau incident avec une direction de référence et l'angle du faisceau réfléchi avec cette direction. Connaissant la distance entre les point de départ du faisceau incident de 1'6metteur et le point d'arrivee du faisceau réfléchi dans le récepteur, on peut ainsi déterminer au moyen d'un calculateur les coordonnées du sommet d'un triangle dont on connaît la base et les angles adjacents. Dans une variante du procédé précédent, au lieu de mesurer l'angle du faisceau incident et l'angle du faisceau émergent par rapport a une - Ùi+ectioh de reference, on determine l'angle du faisceau incident ét le temps desparcours du faisceau de l'émetteur au récepteur. On calcule alors un triangle dont on connaît la base, un angle adjacent a la hase et la somme des deux autres. La demande de brevet français publiée N" 2 439 979 du 23 octobre 1978 a décrit un appareil dérivé du précédent. La surface ou l'objet sont illuminés et balayés par un faisceau laser et au lieu de focaliser sur une matrice de photodétecteurs unique, le point illuminé de la surface, on le focalise par deux éléments focaliseurs formant un angle entre eux sur deux matrices de todétecteurs. On déduit des photodétecteurs illumines dans chacune des deux matrices, les coordonnees de ce point illuminé. Dans ces appareils de l'art antérieur, la surface est illuminée par points successifs et le passage du point actuel au point suivant doit reserver un temps suffisant pour permettre le calcul des coordonnées du point actuel. Les méthodes qu'utilisent ces appareils sont lentes (quelques points par seconde) et elles sont plusadaptées au controle de la finition des pièces mécaniques qu'a des analyses de trme de surface. L'invention permet de connaître automatiquement l'ensemble des coordonnees (x, y, z) des points de la surface d'un objet sans prémarquage de la surface de l'objet, ni relevé manuel des valeurs. Le procedé de l'invention comprend l'éclairage de l'objet par un ou plusieurs faisceaux de géométrie particuliere, l'observation de cet objet par une ou plusieurs caméras de télévision, le traitement du signal vidéo issu de la ou des cameras, au moyen d'un système électronique et enfin le déplacement de l'objet en synchronisme avec le balayage de telévision, soit en rotation soit en translation. L'éclairage de l'objet est fait à l'aide d'un laser qui fournit un faisceau plat lamellaire (nappe lumineuse) couvrant toute la hauteur de l'objet. Ce faisceau est fixe. Il rencontre l'objet selon une courbe dans l'espace, cette courbe seule est alumineuse, l'objet étant dans l'obscurite. Une caméra de télévision balaye l'objet, selon une direction fixe. La nième ligne de balayage balaye le plan xOz pour z = Zn (dépendant de l'optique utilisée). La courbe lumineuse est rencontrée dans une direction a(n) par rapport à l'axe optique de la caméra. Si l'on connaît la distance yO de la caméra au point O intersection de l'axe de visee de la caméra et du faisceau laser ainsi que l'angle O entre ces deux directions, on deduit aisément des valeurs yO, B et a(n) les coordonnées x(n), y(n), z(n), du point correspondant sur l'objet. x(n) = yo tg &alpha;(n) tg# tg &alpha;;(n) + tg# y(n) = yo tg &alpha;(n) (1) tg &alpha;(n) + tg# z(n) = Zn tg# tg a(n) + tg# L'angle a(n) est lié au temps t(n) d'apparition de l'image de la courbe lumineuse par la loi tg o(n) = k (n) ou k est une constante, ce qui simplifie les relations 1. Une image permet ainsi la mesure de plus de 500 valeurs des coordonnées (x, y, z), une valeur par ligne. Pendant le retour de trame, l'objet est déplacé selon deux lois - une translation si l'objet à analyser est de la forme y = f(x,z), comme par exemple une carte en relief, ou la maquette d'une ville ; - une rotation autour d'un axe passant par le point 0 si l'objet est un volume dont toutes les faces doivent être connues. Il faut 40 ms pour traiter une position. L'analyse selon 100 directions (ou pour 100 positions de l'objet) est possible en 4s si les organes de stockage de l'information (disque, bande, cassette) le permettent Ces performances sont très supérieures à ce qu'autorisent les systèmes actuellement disponibles. L'invention va être maintenant decrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - les Figs. la et lb montrent schématiquement les positions géometriques respectives du faisceau laser,-du faisceau de télévision et de l'objet a analyser ; - les Figs. 2a et 2b representent l'appareil d'analyse et de numérisation d'une surface de l'invention ; - la Fig. 3 est un diagramme de blocs des circuits électroniques de l'appareil de l'invention ; et - lesFig. 4 et 5 représentent deux objets illuminés par -le faisceau laser. En se référant d'abord à la Fig. 1, on yvoit le laser 10, la caméra de télévision 20 et l'objet 30. Le faisceau de laser est un faisceau lamellaire perpendiculaire au plan de la Fig. 1 et dont la droite 11 représente la trace dans le plan de la Fig. 1. Le point N de coordonnees x(n), y(n), z(n) fait partie de la ligne de l'objet éclairée par le laser et également de la ligne de l'objet balayée par la caméra.Du fait -de la- di-sance y0 de la caméra au centre 0 de l'objet ainsi que des angles a(n) et es on en déduit par les formules (1) les coordonnées x(n), y(n) et z(n). Le laser 10 (Figs. 2a et 2b) est du type HeNe et sa puissance dépend de la taille des objets à analyser. Pour des objets dont la plus grande dimension est de l'ordre de 30 cm, 2 nM suffisent. 12 est un sys tème afocal muni d'un filtre spatial et 13 est une lentille cylindrique dont la focale depend de la taille de l'objet. Elle possède une faible ouverture numérique et fournit un faisceau en nappe focalisé sur la surface moyenne de l'objet. Le plan axial du faisceau contient l'axe Oz. L'objet 30 est placé sur une platine 31 entraînée dans un mouvement de rotation (Fig. 2a) ou de translation (Fig. 2b) par un moteur pas-a-pas 32. La caméra 20 est de préférence une camera à cible rapide (plumbicon). Son signal est traité par une unité électronique de traitement 40 dont les résultats sont transmis à une memoire de masse 41. Une unité de synchronisation 42 assure le déclenchement du moteur pas- -pas 32 et de l'unité de traitement 40. L'unite de traitement 40 comprend quatre sous-ensembles (Fig. 3) - le dispositif de binarisation du signal vidéo 401 ; - le dispositif de décision 402 ; - un interpolateur 403 ; - un calculateur 404. Le dispositif de binarisation 401 reçoit le signal video issu de la caméra 20. Celui:ci (sous forme analogique) est numérisé sur 2 niveaux au moyen d'un montage discriminateur (par exemple par un declencheur a seuil). Le dispositif de décision 402 échantillonne la sortie du dispositif de binarisation au rythme de l'horloge fournie par la base de temps et détecte les transitions blanc/noir et contrôle le fonctionnement de l'interpolateur. L'interpolateur 403 est constitué de trois compteurs numériques chargés de fournir - le numéro dans l'image de la ligne courante (z) - la position du milieu de la zone claire (x) - la largeur de la zone claire (Ex) Il reçoit du générateur de synchronisation des signaux "horloge point", "horloge ligne" et "horloge trame" et du dispositif de decision le signal "zone claire". Le compteur (z) est initialisé au début de chaque trame par le signal "horloge trame" ( 0 pour les trames paires, à 1 pour les trames impaires). Il est incrémenté de 2 unités par le signal "horloge ligne" a la fin de chaque ligne. Le compteur (x) est initialise à O au debut de chaque ligne par le signal "horloge-ligne" puis il est íncremente de 1 unité par chaque impulsion du signal "horloge point" jusqu'au moment ou le signal "zone claire" indique la détection du début de la zone claire. A partir de cet instant, le compteur n'est plus incrémenté que toutes les 2 impulsions du signal "horloge point" jusqu' la détection de la fin de la zone claire. L'état du compteur à cet instant est conserve jusqu'à la fin de la ligne. Le compteur (aux) est mis a zéro simultanément au compteur (x). Il n'est incrementé par les impulsions du signal "horloge point" que pendant la detection de présence d'une zone claire. Le calculateur 404 reçoit les informations des 3 compteurs (z), (x) et (Ax) avec lesquelles il calcule les coordonnees tri-dimensionnelles du point clair de la ligne courante et cela à la fin de chaque ligne Il stocke ces coordonnées dans la mémoire de masse. Il est constitué d'un micro-processeur classique de 8 bits. L'unité de synchronisation 42 se subdivise en 2 éléments fonctionnels : - la base de temps 421 ; - le genérateur de synchronisation 422. La base de temps 421 est constituez d'un oscillateur piloté par un cristal de quartz qui génère le signal "horloge point". La fréquence de ce signal détermine la resolution horizontale de l'interpolateur 403. Par l'utilisation d'un diviseur numérique de fréquence, on fabrique les signaux "horloge ligne" et "horloge trame" utilisés par le dispositif de synchronisation 422. Le générateur de synchronisation 422 utilise les signaux "horloge ligne" et "horloge trame" fournis par la base de temps 421 pour générer le signal d'asservissement du balayage de la caméra 20. Il génere les impulsions de commande du déplacement du moteur pas-a-pas 32 qui interviennent à la fin de chaque trame paire. Il initialise l'interpolateur 403 au début de chaque ligne et provoque à la fin de la ligne la mémorisation par le calculateur de la valeur calculée par l'interpolateur. L'invention couvre la possibilité d'utiliser plusieurs faisceaux laser d'orientation différentes, ainsi que plusieurs caméras donnant plusieurs angles de vue. En effet, si l'angle O est grand, la mesure obtenue de x et y sera précise (grande base stéréoscopique), mais des parties éclairées par le laser pourront être masquées par des protubérances de l'objet. Au contraire, un angle O faible nous assure que toutes les parties seront vues, mais conduit à une faible precision de mesure Le choix de deux caméras d'observation d'un même faisceau laser, ou de deux faisceaux lasers vus par une seule caméra permet de combiner les avantages d'une grande et d'une petite base stéréoscopique sans allonger la durée d'analyse. La complexité du système est à peine accrue au niveau de l'électronique de mesure par duplication des circuits de décision. Sur les Figs. 4 et 5, on a représenté deux bustes qui peuvent être placés sur la platine 14. On voit sur ces deux bustes, la ligne illuminée par le faisceau laser lamellaire. Cette ligne est marquée 50 sur les Figs. 4 et 5. Revendications 1 - Procédé automatique pour la numérisation de la surface d'un objet par determination des trois coordonnées de tous les points de cette surface consistant à placer l'objet sur des moyens de translation ou de rotation dudit objet, a illuminer simultanément un ensemble de points de l'objet et a balayer l'objet illuminé par une caméra de télé- vision, caractérise en ce que les point simultanément illuminés le sont par un faisceau laser plan lamellaire et forment une courbe plane sur l'objet. 2 - Appareil automatique pour la numérisation de la surface d'un objet, comprenant des moyens de deplacer l'objet pas-a-pas en rotation ou en translation, des moyens laser (10) d'illuminer simultanément un ensemble de points de l'objet, et une caméra de télévision (20).pour balayer l'objet illumine, caractérisé en ce que.le laser est un laser à faisceau lamellaire illuminant une ligne plane de..l'objet et que des moyens sont prevus pour déplacer l'objet d'un pas pendant le retour de trame de la caméra. 3 - Appareil automatique conforme a la revendication 2, caracterise en ce qu'il comprend un calculateur permettant de calculer les coordonnées x(n), y(n), z(n) du point oA la nième ligne de balayage de la caméra croise la ligne.plane d'illumination par les formules ci-après où yO est la distance entre l'objectif de la camera et le point oû l'axe optiquede la caméra coupe le faisceau laser lamellaire et O est l'angle entre l'axe de la caméra et l'axe du faisceau laser lamellaire.: : x(n) yo tg &alpha;(n) tg# tg &alpha;(n) + tg# y(n) = yo tg &alpha;(n) (1) tg &alpha;(n) + tg# z(n) =Zn tg# tg &alpha;(n) + tg#