Brevet FR2571866A1 — publié le 19860418

1i Lf571866 La présente invention concerne un appareil destiné a indiquer la position d'un objet dans l'espace à trois di- mensions. Un tel appareil a des applications par exemple en robotique, lorqu'un manipulateur doit être placé près d'un objet à manipuler par commande à distance. Un type connu d'appareil comporte un arrangement d'observation stéréoscopique binoculaire comprenant un dis- positif destiné à former deux images bidimensionnelles de la scène comprenant l'objet et le manipulateur, vu à partir de deux points séparés par une distance égale à la distance moyenne séparant les yeux d'un observateur, les deux images étant séparées par cette distance. Un observateur peut alors fusionner les deux images et tirer une appréciation de la distance d'un point quelconque.de la scène étant donné les écarts binoculaires propres entre les deux images. Un tel appareil peut être utilisé par un opérateur afin que, par commande à distance, il place un manipulateur près d'un objet par utilisation de son propre jugement des positions relatives du manipulateur et de l'objet, données par la vue stéréoscopique de la scène, mais il peut s'agir d'un procédé long et difficile. La présente invention a pour objet un appareil destiné à donner une indication sur la position d'un objet dans un espace tridimensionnel de manière que le position- nement d'un manipulateur près de l'objet soit facilité. Selon l'invention, un appareil destiné à indiquer la position d'un objet dans un espace tridimensionnel comporte un dispositif de formation d'inages destiné à for- mer une image stéréoscopique d'une scène comprenant l'objet, un dispositif de superposition, à cette image, d'une image stéréoscopique d'un curseur, un dispositif de commande des- tiné à faire varier l'image du curseur le manière que la position apparente du curseur dans la scène varie, et un générateur de signaux destiné à tirer du dispositif de com- mande des signaux qui représentent la position apparente du curseur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de formation d'images comporte un dispositif destiné à former deux images bidimensionnelles de la scène à partir de deux positions d'observation séparées par une distance égale à la distance interoculaire d'un observateur, et un dispositif destiné à afficher respectivement les ima- ges à des positions séparées par ladite distance afin qu'el- les soient vues respectivement par les deux yeux de l'obser- vateur et donnent l'image stéréoscopique, le dispositif de superposition comporte un dispositif destiné à superpo- ser à chacune des images affichées, l'une de deux images bidimensionnelles respective du curseur, et le dispositif de commande comporte un dispositif destiné à faire varier les positions respectives des images du curseur dans les images de la scène afin que la position apparente du cur- seur dans la scène varie. Le dispositif de commande comporte en outre de préfé- rence un dispositif destiné à faire varier la dimension d'une partie au moins de l'image stéréoscopique du curseur avec la variation de la distance apparente du curseur, si bien que l'impression subjective stéréoscopique obtenue par l'observateur pour l'observation du curseur est accentuée. Dans un mode de réalisation particulier de l'in- vention, une partie au moins du curseur a une forme appa- rente tridimensionnelle, le dispositif de commande comporte un dispositif destiné à faire varier la forme de l'image stéréoscopique du curseur de manière que ladite partie parais- se tournée autour d'au moins un axe, poir l'observateur, et le générateur de signaux comporte un dispositif destiné à former, à partir du dispositif destiné à faire iarier la forme, un signal de sortie représentant la position angulaire ap- parente de ladite partie du curseur autour dudit axe. On sait que, comme un appareil selon l'invention donne des signaux de sortie représentatifs des positions des objets, désignées par un curseur, avant le début de l'opération réelle de positionnement d'un manipulateur près d'un objet, l'appareil peut être utilisé pour l'obten- 3 2571866 tion d'indications sur les positions de l'objet, les posi- tions actuelle et voulue du manipulateur et les obstacles placés entre eux, si bien que le déplacement ultérieur du manipulateur à la position voulue est considérablement fa- cilitée. L'invention concerne aussi un procédé destiné à indiquer la position d'un objet dans un espace tridimen- sionnel, le procédé comprenant la création d'une image stéréoscopique d'une scène contenant l'objet, la superposi- tion d'une image stéréoscopique d'un curseur à l'image précécente, la variation de l'image du curseur de manière que la position apparente du curseur var:e dans la scène, et la dérivation de signaux représentantila position appa- rente du curseur. D'autres caractéristiques et avantages d'un procé- dé et d'un appareil d'indication de la position d'un objet dans un espace tridimensionnel selon l'invention ressorti- ront mieux de la description qui va suivre, faite en réfé- rence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un diagramme synoptique d'un appa- reil selon l'invention; les figures 2a,2b et 2c sont des perspectives schématiques illustrant la mise en oeuvre d'un arrangement curseur utilisé dans l'appareil de la figure 1; et les figures 3a à 3d sont des sciémas illustrant le fonctionnement de l'arrangement d'un curseur de l'appa- reil de la figure 1, à échelle plus grande que sur la fi- gure 2. On se réfère d'abord à la figur3 1 sur laquelle l'appareil représenté comporte deux caméras vidéo 1, 3 placées à un emplacement distant de travail, les caméras étant alignées avec précision afin qu'elLes soient paral- lèles et distantes, la distance les séparant étant égale à la distance interoculaire moyenne humaine. Les sorties des caméras 1, 3 sont connectées à un transmetteur 5 à deux canaux destiné à transmettre les signaux représentatifs des signaux des caméras à un récepteur 7 à deux canaux disposé à un emplacement de travail. Des signaux vidéo séparés des 4 2 5 7571866 caméras gauche 1 et droite 3 sont transmis du récepteur 7 à- des mélangeurs vidéo respectifs gauche 9 et droit 11, des signaux vidéo de générateurs de recouvrement gauche 13 et droit 15 étant aussi transmis respectivement aux mélangeurs vidéo gauche 9 et droit 11. Des signaux de commande desti- nés aux générateurs 13, 15 de recouvrement sont transmis par un microprocesseur 17 qui est lui-même commandé par des signaux d'une unité 19 de commande de curseur X, Y, Z et d'une unité 21 de commande de rotation de curseur dont les fonctions sont décrites plus en détail dans la suite, cha- que unité ayant une commande à manche ayant trois degrés de liberté. Le microprocesseur 17 transmet aussi des si- gnaux de commande à un manipulateur (non représenté) comme décrit aussi plus en détail dans la suite. Les signaux de sortie des mélangeurs vidéo gauche et droit 9 et 11 sont transmis des moniteurs vidéo gauche et droit 23 et 25 respectivement, les affichages des deux moniteurs étant séparés par la distance interoculaire si bien que les yeux gauche 27 et droit 29 d'un observateur peuvent voir simultanément les images respectives présen- tées sur les écrans des moniteurs 23, 25 par l'intermédiaire d'oculaires 31, 33. Lors de l'utilisation de l'appareil, les caméras vidéo 1, 3 sont focalisées sur une scène de la vie réelle qui contient l'objet 35 dont la position doit être indi- quée, afin que le positionnement du manipulateur par com- mande à distance soit facilité à proximité de l'objet. Les images produites par les caméras 1, 3 sont présentées par les écrans des moniteurs 23, 25 par l'intermédiaire du transmetteur 5, du récepteur 7 et du mélangeur vidéo 9 ou 11. Les générateurs de recouvrement 13, 15 des canaux gau- che et droit, sous la commande du microprocesseur 17, transmettent des signaux aux mélangeurs vidéo 9, 11 respec- tivement afin que l'image respective d'un curseur 37 ou 39 soit formée sur l'image de la scène de l'écran de chacun des moniteurs 23 et 25. Comme l'indiquert plus clairement les figures 2a, 2b et 2c, chaque curseur est sous forme 2571866 d'un cercle coupé par deux droites représentant les axes X et Y, chaque curseur ayant en outre un indicateur di- rectionnel mobile 41 ou 43 dont le rôle est décrit dans la suite. On considère maintenant plus précisément la fi- gure 2a; les curseurs 37 et 39 sont disposés de manière que, dans les plans image gauche 44 et droit 45, vus par les yeux gauche 27 et droit 29 de l'observateur a travers les oculaires gauche et droit 31 et 33 respectivement, les axes X des curseurs 37, 39 soient alignés l'un sur l'autre. Le microprocesseur est cependant programmé de manière que les axes Y soient décalés l'un par rapport à l'autre et présentent à l'observateur une image ?téréoscopique virtuelle 47 d'un curseur unique placé dans son champ de vision stéréoscopique, par l'intermédiaire des oculaires 31, 33, dans la scène vue par les caméras 1, 3, c'est-à- dire dans une position se trouvant le long de l'axe Z indi- qué sur la figure 2. L'observateur, lorsqu'il doit indiquer la position de l'objet 35 dans la scène, utilise d'abord la commande à manche de l'unité 19 de commande de curseur afin qu'il transmette au microprocesseur 17 des signaux provoquant le déplacement des deux curseurs 37, 39 dans le plan X, Y afin que l'image stéréoscopique 47 du curseur recouvre l'image de l'objet 35 dans le champ stéréoscopi- que de vision de l'observateur. L'opérateur utilise alors la commande à manche de l'unité 19 de commande de curseur de manière que les deux curseurs 37, 39 se déplacent l'un par rapport à l'autre suivant l'axe Z, si bien que l'image stéréoscopique 47 du curseur paraît se déplacer suivant l'axe Z pour l'observateur,-vers une position dans laquelle il parait -coTncider avec l'objet du champ de vision stéréos- copique de l'observateur. Ainsi, comme l'indiquent aussi les figures 2b et 2c qui représentent des positions apparentes différentes de l'image 37 du curseur suivant l'axe Z, lors- que les images 37, 39 du curseur dans les plans images 44, s'écartent l'une de l'autre vers les axes centraux re- présentés en traits mixtes sur les figures 2a, 2b et 2c, l'image stéréoscopique 47 du curseur paraît s'éloigner dans 6 2571866 la direction Z. Le microprocesseur est en outre program- mé de manière que la dimension du curseur diminue suivant les règles de perspective lorsque l'image 47 parait s'écar- ter de l'observateur et grossisse lorsqu'elle paraît se rapprocher de l'observateur, afin que l'illusion du mou- vement du curseur 47 vers l'observateur ou loin de celui- ci soit accentuée. Lorsque l'observateur a align6 l'image 47 du cur- seur de manière qu'elle coïncide avec celle de l'objet dans le champ de vision stéréoscopique de l'observateur, les coordonnées X, Y et Z du curseur, conservées dans le microprocesseur 17, peuvent alors'être uiilisées de maniè- re que des signaux de commande du d6placement du manipula- teur à proximité de l'objet 35 soient fcrmés. Il est ce- pendant souvent souhaitable qu'un manipulateur se rappro- che d'un objet dans une direction particulière et avec une orientation particulière, et, à cet effet, l'indica- teur directionnel 41 ou 43 de chaque image 37 ou 39 de curseur, est utilisé. Les indicateurs 41, 43 sont disposés afin qu'ils soient alignés dans les plarns images 44, 45 si bien que l'observateur voit une image stéréoscopique vir- tuelle 49 d'un indicateurunique dans l'irage 47 du curseur. L'observateur, à l'aide de la commande à manche-de l'unité 21 de commande de rotation du curseur, peut transmettre des signaux convenables de commande au microprocesseur 17 afin que l'illusion d'un mouvement de rotation de-l'image 49 de l'indicateur dans l'espace à trois dimensions soit créée par rapport à l'image 47 du curseur, jusqu'à l'orien- tation voulue du manipulateur par rapport à l'objet 35. Les figures 3a à 3d représentent quatre orientations pos- sibles de l'imagé 49 de l'indicateur par rapport à l'image 47 du curseur, les données correspondant à I'orientation de l'indicateur étant conservées dans tous les cas dans le microprocesseur 17. Ainsi, l'opérateur peut déterminer la position nécessaire dans l'espace à trois dimensions, et l'orienta- tion nécessaire du manipulateur sans avoir à déplacer le 7 2571866 manipulateur lui-même. Le cas 6chéant, la liberté. en rota- tion de l'image 49 de l'indicateur peut être limitée à celle qui peut être obtenue avec le manipulateur r6el. Il faut noter que de nombreuses autres configura- tions du curseur peuvent être utilis6es dans un appareil selon l'invention. Il faut aussi noter que, bien que l'appareil d6crit à titre illustratif comporte deux caméras vidéo séparées dans l'arrangement binoculaire utilisé dans l'ap- pareil, l'invention s'applique aussi à un appareil dans lequel les deux images de la scène vues à partir de points différents sont projetées sur une seule cam6ra, un dispo- sitif étant destin6 à s6parer les images gauche et droite pr6sentées à l'observateur. Des exemples de tels arrange- ments sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Am6- rique N 3 251 933 et N 3 670 097 et dans la demande de brevet britannique N 2 040 134A. Il faut aussi noter que, bien que l'appareil d6- crit précédemment s'applique en particulier au cas dans lequel il est nécessaire de placer un manipulateur près d'un objet, un appareil selon l'invention s'applique aus- si à tous les cas dans lesquels une indication sur la posi- tion d'un objet dans un espacé tridimensionnel doit être obtenue. 8 2571866 REVENDICATIONS 1. Appareil destiné à indiquer la position d'un objet (35) dans un espace à trois dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de formation d'images (1, 3, 5, 7, 23, 25, 31, 33) destiné à former une image stéréoscopique d'une scène comprenant l'objet (35), un dispositif (9, 11, 13, 15) de superposition, à ladite ima- ge, d'une image stéréoscopique (47) d'un curseur, un dis- positif (17, 19, 21) de commande destiné à faire varier l'image du curseur (47) afin que la position apparente du curseur dans la scène varie, et un générateur de signaux (17) destiné à tirer du dispositif de conmande (17, 19, 21) des signaux représentant la position apparente du curseur. 2. Appareil selon la revendicat:on 1, caractérisé en ce que le dispositif de formation d'i:lages (1, 3, 5, 7, 23, 25, 31, 33) comporte un dispositif destiné à former deux images bidimensionnelles de la scène à partir de deux positions d'observation séparées par une distance égale a la distance interoculaire d'un observateur, et un disposi- tif destiné à afficher respectivement les images en des positions séparées par ladite distance afin qu'elles soient vues par les deux yeux respectivement (27, 29) de l'obser- vateur et donnent l'image stéréoscopique (47), le disposi- tif de superposition (19, 11, 13, 15) ccfnprenant un dispo- sitif destiné à superposer, à chacune des images affichées, l'une des deux images bidimensionnelles Iespective du cur- seur, et le dispositif de commande (17, 19, 21) comporte un dispositif destiné à faire varier les positions respecti- ves des images du curseur dans les images de la scène de manière que la position apparente du curseur varie dans la scène. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque image bidimensionnelle du curseur comporte deux droites orthogonales. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande (17, 19, 21) comporte en outre un dispositif 9 2571866 destiné à faire varier la taille d'une partie au moins de l'image stéréoscopique (47) du curseur pour une variation de la distance apparente du curseur, si bien que l'im- pression stéréoscopique subjective du curseur, obtenue par l'observateur, est accentuée. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'ine partie au moins du curseur a une forme apparente tridimensionnelle, le dispositif de commande (17, 19, 21) comporte un dispositif destiné à faire varier la forme de l'image stéréoscopique du curseur de manière que ladite partie paraisse tournée autour d'au moins un axe pour l'observateur, et le généra- teur de signaux (17) comporte un dispositif destiné à tirer du dispositif destiné à faire varier la'forme, un signal de sortie représentant la position angul&ire apparente de ladite partie du curseur autour dudit axe. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite partie est une flèche qui peut tourner apparemment en dehors du plan d'une partie bidimensionnelle du curseur. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de commande comporte une commande à manche (19, 21). 8. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, associé à un manipulateur qui se déplace sous la commande des signaux formés par le générateur de signaux (17). 9. Appareil selon la revendication 8 lorsqu'elle dépend de l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le signal de sortie représentant la position an- gulaire apparente est utilisé pour le réglage de l'angle d'approche du manipulateur vers l'objet (35). 10. Procédé d'indication de la position d'un objet (35) dans un espace à trois dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend la création d'une image stéréoscopique d'une scène contenant l'objet (35), la superposition à'cette image ?Q71860 d'une image st6réoscopique (47)"d'un curseur, la variation de l'image du curseur (47) afin que la position apparente du curseur dans la scène varie, et la formation de signaux représentant la position apparente du curseur.