Brevet FR2517052A1 — publié le 19830527

L'invention concerne le domaine de la détermination de la position spatiale d'un point. Elle est applicable notamment à la détermination de la surface d'un corps. Plus particulièrement, l'invention est relative à un procédé et à un appareillage optique permettant la détermination des trois coordonnées, exprimées dans un repère d'axes spécifique, de l'ensemble des points de la surface d'un corps. Ce repère sera appelé par la suite repère de base. On appellera point objet un point quelconque de la surface du corps. La détermination de la forme tridimensionnelle d'un corps repose généralement sur des méthodes de stéréoscopie, c'est-à-dire qu'on réalise deux prises de vue (appelées images par la suite) du même objet sous des angles différents. Les emplacements des systèmes de prise de vue ainsi que leurs caractéristiques étant connus, la détermination de la forme tridimensionnelle des objets repose sur des relations géométrie ques simples à condition qu'on puisse apparier les différents points (appelés points image par la suite) de chacune des deux images comme étant les points image correspondant à un même point objet. A l'intérieur de chacune des deux images (supposées planes), chaque point image sera representé par deux coordonnées exprimées dans un repère lié à l'image à laquelle il appartient. La connaissance de ces coordonnées pour chaque paire de points image et celle du positionnement des systèmes de prise de vue permettent de déterminer les coordonnées de chaque point objet exprimées dans le repère de base. Pour résoudre la difficulté de la recherche de la correspondance entre deux points image de chacune des deux images, on a déjà proposé de rechercher un maximum de corrélation entre des plages de forme voisine sur chacune des images. Cette procédure exploitée dans un calculateur utilise des informations de position des points image et d'intensité lumineuse représentées dansun système numérique et s'avère etre complexe à mettre en oeuvre. D'autre part les temps de détermination de la géométrie sont très longs. On a également proposé pour résoudre cette difficul té d'éclairer ou de suré.clairer une zone quasi ponctuelle des objets dont on veut déterminer la forme. Les points image correspondant au meme point objet unique suréclairé sont alors aisément repérables sur chacune des images.La détermination complète de la géométrie diun corps suppose alors qu'on suréclaire successivement tous les points (ou au moins un sousensemble représentatif) de sa surface A titre de documents récents illustrant la technique antérieure dans le domaine de la présente invention, on peut citer les brevets français ci-après - 75.21,295 (2.277.326) - 75.08.739 (2.304.892) - 76.13.512 (2.310.550) - 74.00.766 (2.327.513) - 76.26.546 (2.363.779) - 78.13.179 (2.425.055) - 78.30.112 (2.439.979) L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur, liés à la recherche de correspondance entre les points images correspondant au meme point objet. Sous sa forme la plus générale, l'invention concerne un procédé pour la détermination de la position spatiale des points de la surface d'un corps, procédé dans lequel on suréclaire la surface duKorps, on forme des images dans au moins deux systèmes distincts de prises de vues, on traite les informations caractéristiques des images correspondant à un meme point objet eton détermine la position spatiale de celuici, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on suréclaire successivement des ensembles de points à l'aide d'une source lumineuse ponctuelle placée sur la droite joignant les centres optiques des objectifs des-systèmes de prises de vues, lesdits ensembles étant répartis sur une courbe de la surface du corps, chaque point de ladite courbe appartenant à un plan dif férent, passant par les centres optiques, en ce qu'on établit une correspondance entre les points de chacune des deux images en les appariant deux à deux et en recherchant, pour chaque point image de l'une des deux images, le point image de l'autre image qui vérifie la relation existant entre les deux couples de coordonnées associés à chacun des points image corresau même point objet, et en ce qu'on traite les informations recueillies sur lesdites images pour mesurer les positions de chaque couple des points image, ce qui permet de déterminer les coordonnées tridimensionnelles du point objet correspondant,l'ensemble de ces déterminations permettant d'établir la forme de la surface du corps. L'invention tire parti du fait qu'il existe neces-- sairement une relation entre les deux couples de coordonnées associés à chacun.des points image correspondant au même point objet quel qu'il soit.L'utilisation de cette relation permet d'apparier deux à deux les éléments d'ensembles de points image sur chacune des deux images.La procédure consiste alors, pour chaque point image de l'une quelconque des-deux images, à rechercher le point image sureclairé qui vérifie cette relation sur l'autre image. Ceci permet de suréclairer un ensemble,continu ou non,de points objets sous certaines conditions. Partant d'un point image de l'une quelconque des deux images, la procédure de recherche de son point homologue dans l'autre image peut aboutir à trois conclusions - on ne détecte aucun point vérifiant la relation dans ce cas, on ne peut pas déterminer les coordonnées du point objet. - on détecte un seul point vérifiant la relation il est alors possible d'appliquer les relations géométriques de détermination des coordonnées au point objet. - on détecte plusieurs pointus image vérifiant la relation : il y a dans ce cas indétermination. Ce problème doit être résolu dans un système de suréclairage particulier non nécessairement quasi ponctuel.. Dans tous les cas,le procédé de l'invention permet de ré aliser sans ambiguité et quelle que soit la forme du corps la corres pondance entre deux points suréclairés de chacune des deux i mages. Selon une forme avantageuse de réalisation, le fais ceau d'éclairage est plan. Dans une variante1 on éclaire successivement les ensembles de points à une cadence supérieure à la cadence d'analyse des systèmes de prise de vue, ce qui fournit des ensembles de points imageas. L'invention concerne également un appareillage stéréoscopique pour la détermination tridimensionnelle de la forme d'un corps, pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de faisceau lumineux, des moyens pour déplacer ce faisceau, un dispositif à deux prises de vue du corps, des moyens pour faire & rrespondre des informations numériques aux positions des différents points éclairés sur chacune des deux images, des moyens de-calculateur pour faire correspondre deux à deux les différents points éclairés de chacune des deux images et des moyens permettant de calculer les coordonnées tridimensionnelles des différents points suréclairés du corps. L'appareillage selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé comprend au minimum deux dispositifs de prise de vue(ou caméras), un système de génération d'éclairage spécifique non nécessairement quasi ponctuel et permettant de lever le cas d'indétermination précédemment mentionné et un calculateur numérique et/ou analogique, permettant à la fois de déterminer les correspondances entre deux points image de chacune des deux images et de déterminer les coordonnées tridimenSionnelles des différents points objet correspondant aux couples de points image obtenus lors de la phase précédente. Selon un mode de réalisation basé sur un positionnement partieulier des systèmes de prise de vue, l'analyse de la correspondance entre les points image ne nécessite pas de calculateur. Dans ce cas, la détermination des coordonnées des points objet peut être réalisée par un processeur numérique entièrement combinatoire. L'invention-peut également présenter les caractéristiques ci-après considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles - le dispositif de prise de vue comprend une surface sensible unique pour les deux prises de vue, - le dispositif de- prise de vues comprend deux ca méras du type dissecteur d'images, - les deux caméras sont identiques et les axes optiques des objectifs sont parallèles, - on utilise le système de balayage propre des caméras pour apparier les points éclairés de chacune des images, - le faisceau d'éclairage est immobile et on détermine la forme de corps se déplacant devant l'appareil, par exemple sur une bande transporteuse. L'invention sera maintenant illustrée, sans être aucunement limitée, par la description ci-après faite en référence aux dessins annexés sur lesquels Fig. 1 est un schéma de principe illustrant le procédé de l'invention. Fig. 2 est un schéma relatif à une variante pour la recherche des points image homologues. Fig. 3 représente une variante du dispositif de suréclairage. Fig. 4 est une vue relative à un autre mode de fonctionnement. Fig. 5 est un diagramme fonctionnel d'une réalisation de l'appareillage selon l'invention. On se référera tout d'abord au schéma de principe de la figure 1. Pour la détermination de la forme d'un corps C, on suréclaire un ensemble Z des points de sa surface, On désignera par z un point objet appartenant à l'ensemble Z des points objets suréclairés. Le corps C ainsi suréclairé est observé à l'aide d'un premier dispositif de prise de vue 101 et d'un second dispositif de prise de vue 102. Chaque dispositif de prise de vue 101(1-02) comprend un objectif 111 (112), dont le -centre optique est noté Oî ( 02 ) et dont l'axe optique est noté al (a2) et une surface photosensible 121 (12 2) supposée plane. On appellera dl (d2) la distance du centre optique de l'objectif 1 (02) au point C1 (c2) ) intersection de l'axe optique al (a2) avec la surface photosensible 121 (122). Le dispositif de prise de vue 101 fournit par son objectif 111 sur sa surface photosensible 121, une image Y1 de l'ens-emble Z des points objets suréclairés. On notera y1 un point image appartenant à y1 Le dispositif de prise de vue 102 fournit par son objectif 112 sur sa surface photosensible 122 une image Y2 de l'ensemble Z des points objets suréclairés. On notera y2 un point image appartenant à y2 La correspondance entre un point image y1 et un point image y2 est établie comme suit A un point image y1 quelconque de Y1 on peut associer un plan Pyi défini par les points y1, 01, 02.Le point objet z correspondant au point image y1 sera situé dans ce plan Pyi. De même, le point image y2 correspondant au point objet z sera situé dans le plan Pyl, D'autre part, le point image y2 appartient au plan de la couche photosensible 122. On peut donc affirmer que le point image y2 appartient à la droite 6 Y2 intersec- tion du plan Pyl (y1, 1R 02) et de la couche photosensible 122. Le point image y2 homologue de Y1 sera donc le point d'intersection de la droite h y2 avec l'ensemble des points image -Y2. Afin d'éviter le cas d'indétermination dans le calcul des coordonnées du point objet z, l'intersection de la droite a y2 avec l'ensemble Y2 des points image doit ê- tre unique. Ceci se traduit par la condition de n'avoir dans le plan Pyl qu'un seul point objet z suréclairé, et ceci quel que soit le point image y1 considéré et quelle que soit la forme du corps C. Cette conditionpeut être réalisée en utilisant un système de suréclairage particulier, Le système de suréclairage devra être constitué d'une source lumineuse ponctuelle S qu'on assimilera à un faisceau de droites issues du point S. Cette source S devra être placée sur la droite 01, 2 joignant les centres optiques des objectifs 111 et 112. De plus, le système d'éclairage devra êtretel que quelque soit un plan P passant par la droite 01,02, zl'in- tersection du plan P avec le faisceau de droites issues de S soit une droite unique. On pourra par exemple utiliser un système d'éclairage par un plan lumineux tel que représenté sur les figures 1 et 2. -I1 est également possible d'utiliser un système d'éclairage constitué d'un ensemble fini de pinceaux lumineux L (lasers) comme indiqué sur la figure 3. Les conditions sur le système d'éclairage étant supposées vérifiées, il est possible en utilisant la procédure précédente d'apparier sans ambiguité chaque point image y1 de Y1 avec un point image y2 de Y2. La connaissance des coordonnées de -chaque couple (y1, y2) sur les surfaces photosensibles 121 et 122, ainsi que celle des positions de centres optiques 01, 2 et des orientations des axes optiques al, a2 permet par des considérations géométriques connues ou à la portée de l'homme de l'art de déterminer les coordonnées du point objet z correspondant au couple (y1 , y2). Cette détermination s'effectue le plus rapidement et le plus commodément dans un calculateur. Dans la forme de réalisation montrée sur la figure 2, on détermine à partir d'un plan P quelconque passant par la droite Oî, 02, joignant les centres optiques des objectifs, deux droites tS y1 et y2 définies comme étant les intersections du plan P avec les plans des surfaces photosensibles 121 et 122. On remarquera que l'ensemble des droi- tes A y1 ( LS Y2) passent par le point p1 (P2) intersection de la droite 01,02 joignant les centres optiques des objectifs avec les plans respectifs de la surface photosensible 121 (122). Les conditions d'éclairage étant supposées véri- fiées, on n'aura qu'un seul point objet z suréclairé dans le plan P. Les intersections de Y1 (Y2) avec les d.roites 8 y1 ( 2 y2), seront donc des points image uniques qu'on appellera y1 (y2). Connaissant les coordonnées de y1 et Y2 dans chacune des deux images, il est possible de déterminer les coordonnées, dans le repère de base, du point objet unique z suréclairé appartenant au plan P. Dans la forme de réalisation montrée figure 4, les deux dispositifs de prise de vue sont identiques et leurs axes optiques al et a2 sont parallèles. Dans cette forme de réalisation, les droites a yl etny2 sont confondues. De plus, les relations géométriques permettant de déterminer les coordonnées du point objet z ne sont basées que sur les quatre opérations arithmétiques élémentaires (addition soustraction - multiplieation -division)1 autorisant ainsi l'utilisation d'un processeur cablé entièrement combinatoire. La détermination complète de la forme du corps C est réalisée en déplaçant le système d'éelairage, permettant ainsi de suréclairer successivement différents ensembles Z de points objet. Dans l'appareillage montré figure 5, un- faisceau d'éclairage 32 est fourni par un générateur 31. Sur le schéma, ce faisceau est représenté par un plan lumineux Un moyen 33 permet de déplacer le faisceau 34 qui éclairera une zone Z nofl ponctuelle du corps C. Ce moyen peut ê- tre un miroir pivotant. Les faisceaux images 351 et sont renvoyés de la zone Z du corps C et pénétrent dans les objectifs de deux caméras électroniques 411 et 412. Ces ca méras peuvent être soit du type vidicon soit du type dissecteur d'image. Chaque caméra comporte un dispositif de balayage 421 (422) permettant d'explorer la couche photosensible. Dans le cas de caméras du type dissecteur d'image, les dispositifs de balayage sont pilotés par le dispositif 52 du calculateur 50 qui provoquera un balayage suivant les droites fl, y1,, h Y2 Les sorties 431 et 432 des caméras sont reliées à des dispositifs 441 et 442 permettant de mesurer les coordonnées des points y1 de Y1 et y2 de Y2 suréclairés. Les sorties 451 et 452 de ces dispositifs sont reliées à l'entrée du calculateur 50 qui comprend un système 51 de calcul des coordonnées des points objet z de Z, un dispositif 53 de stockage des informations éventuellement sous forme condensée et un dispositif 55 agissant sur le moyen 33 de déplacement du faisceau 34. Pour la mise en oeuvre du procédé illustré à la figure 4, les caméras sont de type vidicon , le balayage utilisé est systématique et le calcul des coordonnées de chaque point z est réalisé par un processeur cablé numérique rapide (au lieu ducalculateur 51). L'invention prévoit une installation dans laquel- le le faisceau 34 est immobile et réalisé par un plan lumineux. L'appareillage permet alors de reconstituer la géométrie de la coupe du corps C par ce plan. Dans ce mode de fonctionnement, il est possible de reconstituer entièrement la géométrie de corps se déplaçant sous le dispositif, par exemple dans le cas d'objets se déplaçant sur une bande transporteuse. En variante- l'invention est également applicable à la détermination de la forme de corps immobiles, de grande surface, auquel cas l'appareillage peut être déplacé dans un certain nombre de positions de prises de vue. D'autre part, on peut utiliser d'une manière avantageuse des caméras dont les surfaces de réception sont constituées par des réseaux matriciels de photodiodes ou d'éléments photosensibles à transfert de charge. De tels moyens permettent de fournir des images géométriques très fidèles avec cependant un pouvoir de résolution un peu inférieur à celui des appareils connus à tubes. L'invention trouve particulièrement applicationpour des mesures faites à des distances en général inférieures à 10 mètres. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détermination de la position spatiale des points (z) de la surface d!un corps (C), procédé dans lequel on suréclaire la surface du corps (C)-, on forme des images dans au moins deux systèmes distincts de prises de vues, on traite les informations caractéristiques des images correspondant à un même point objet (z) et on détermine la position spatiale de celui-ci, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on suréclaire successivement des ensembles (Z) de points(z) à l'aide d'une source lumineuse (S) ponctuelle placée sur la droite (01, 02) joignant les centres optiques des objectifs (111, 112) des systèmes de prises de vues (111, 121,-112, 122), lesdits ensembles (Z) étant répartis sur une courbe de la surface du corps (C), chaque point de ladite courbe appartenant à un plan différent, passant par les centres optiques (01, 0 2) en ce qu'on établit une correspondance entre les points (y1, Y2) de chacune des deux images en les appariant deux à deux et en recherchant, pour chaque point (Y1) image de l'une des deux images, le point image (Y2) de l'autre image qui vérifie la relation existant entre les deux couples de coordonnées associés à chacun des points image correspondant au même point objet (z) et en ce qu'on traite les informations recueillies sur lesdites images pour mesurer les positions de chaque couple de points image, ce qui permet de déterminer les coordonnées tridimensionnel les du point objet (z) correspondant, l'ensemble de ces déterminations permettant d'établir la forme de la surface du corps (C). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau d'éclairage est plan 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on éclaire successivement les ensembles (Z) de points à une cadence supérieure à la cadence d'analyse des systèmes (111, 121, 112, 122) de prise de vue, ce qui fournit des ensembles de points images (Y1, y2). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 3, caractérisé en ce que le point image (y2) homologue du point image (y1) est le point d'intersection d'une droite ( y2) avec l'ensemble des points images (Y2), la droite (nez) étant l'intersection du plan (pal) défini par le point (Y1) et les centres optiques (01 2) des deux systèmes de prises de vues, et de la couche photosensible (122) réputée plane du système de prise de vues correspondant au point image (y2). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'intersection d'un plan (P) quelconque passant par la droite ( 1' 02) avec le faisceau de droites, matérialisant les rayons lumineux issus de la source (S), est une droite unique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise un système d'éclairage (S) fournissant un ensemble fini de pinceaux lumineux (L), par exemple des rayons lasers 7. Appareillage pour la détermination tridimensionnelle de la forme d'un corps pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur (31) de faisceau lumineux, des moyens (33 > 552 56) pour déplacer ce faisceau, un dispositif (411, 412) à deux prises de vue du corps, des moyens (441, pour faire correspondre des informations numériques aux positions des différents points éclairés sur chacune des deux images, des moyens (50) de calculateur pour faire correspondre deux à deux les différents points éclairés de chacune des deux images et des moyens (51) permettant de calculer les coordonnées tridimensionnelles des différents points suréclairés du corps. 8. Appareillage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de prise de vue comprend une surface sensible unique pour les deux prises de vue. 9. Appareillage selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux caméras du type vidicon, du type dissecteur d'images, du type à réseaux matriciels de photodiodes ou du type avec éléments photosensibles à transfert de charge. 10. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérise en ce que les deux caméras sont identiques et les axes optiques des objectifs sont parallèles. 11. Appareillage selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'on utilise le système de balayage propre des caméras pourXapparier les points éclairés de chacune des images. 12. Appareillage selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend, au lieu d'un calculateur pour la détermination de la forme du corps, un processeur numérique entièrement combinatoire. 13. Application de l'appa-reillage selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, dans laquelle, le faisceau d'éclairage étant immobile, on détermine la forme de corps se déplaçant devant l'appareillage, par exemple sur une bande transporteuse.