Brevet FR2615343A1 — publié le 19881118

I La présente invention concerne un procédé et trn appareil de vidéogrammétrie, c'est-b-dire d'acquisition de données numériques relatives aux coordonnées des diffé- rents points de la surface d'un objet à trois dimensions. La vidéogrammétrie est un procédé connu de saisie tridimensionnelle d'informations relatives aux divers points de la surface d'un objet. Cette saisie est généralement réalisée en éclairant l'objet au moyen d'un faisceau lumi- neux plan ou lamellaire émis par un émetteur de faisceau laser, de manière à former sur la surface de l'objet, à son intersection avec le faisceau lumineux lamellaire-, une courbe de niveau lumineuse. Des caméras vidéo. disposées d'une manière appropriée de part et d'autre de l'objet, sont prévues pour capter l'image lumineuse formée sur l'objet suivant la courbe de niveau et des moyens sont prévus pour traduire les deux images, captées respectivement par les caméras vidéo, en signaux numériques qui, après un traite- ment approprié, permettent d'obtenir les valeurs numériques des coordonnées des différents points constituant la courbe de niveau, après les corrections imposées par la disposition des caméras. Chaque courbe de niveau se traduit par consé- quent par un ensemble de données numériques qui sont ensuite stockées dans une mémoire d'un ordinateur en vue d'une uti- lisation ultérieure. Une lois la mesure effectuée pour une courbe de niveau déterminée, on effectue un déplacement relatif entre l'objet et le faisceau lumineux lamellaire, sur une faible distance correspondant à un pas élémentaire, et on recommence l'analyse de la nouvelle courbe de niveau obtenue. On peut ainsi enregistrer en mémoire des valeurs numériques successives correspondant aux courbes de niveaux successives obtenues par le déplacement relatif pas-à-pas entre le faisceau lumineux lamellaire fourni par le ou les émetteurs lasers et l'objet. La présente invention concerne des perfectionnements apportés à un tel procédé et à un tel appareil dans le but d'accroître la rapidité de l'acquisition numérique, d'élimi- ner, dans la mesure du possible, les zones cachées, et d'obtenir une définition élevée et éventuellement modulable. 2 2615343 A cet effet ce procédé de vidéoqrammétrie, dans lequel on projette, sur l'objet, un faisceau lumineux de manière à former, à l'intersection de ce faisceau et de la surface de l'objet. une succession de points lumineux répar- tis suivant une courbe de niveau, on capte ces points lumi- neux au moyen d'au moins une caméra vidéo, on analyse l'image vidéo ainsi obtenue en la transformant en infor- mations numériques correspondant aux coordonnées des divers points lumineux de chaque courbe de niveau, puis on effec- tue un déplacement relatif entre l'objet et le faisceau lumineux, d'une distance ou pas élémentaire, pour recommen- cer le cycle des opérations de mesure sur la nouvelle courbe de niveau obtenue, est caractérisé en ce qu'on projette simultanément sur l'objet plusieurs faisceaux lumineux de manière à former plusieurs courbes de niveau différentes aux intersections des divers faisceaux avec la surface de l'objet, on analyse simultanément l'ensemble des courbes de niveau formées au moyen des caméras vidéo, et après chaque analyse d'un groupe de courbes de niveau formées on procède à un déplacement simultané, d'un pas élémentaire inférieur à l'espacement entre les faisceaux, de tous les faisceaux lumineux pour former un nouveau qroupe de courbes de niveau voisines des courbes du qroupe précédent, après quoi on reprend le cycle d'analyse de ces nouvelles courbes et ainsi de suite. On peut projeter sur l'objet soit des faisceaux lumineux ponctuels effectuant un balayage dans un plan soit encore des faisceaux lumineux lamellaires parallbles ou se recoupant suivant une même droite. Si les faisceaux lumineux sont des faisceaux lamellaires parallbles ou des faisceaux ponctuels se déplaçant dans des plans parallèles, on les déplace simultanément ou on déplace l'objet, les faisceaux restant fixes, en translation dans une direction perpendi- culaire à leurs plans. L'espacement des plans contenant les faisceaux lumineux peut être uniforme ou encore varia- ble d'un faisceau è l'autre. 3 2615343 Dans le cas o les faisceaux lumineux sont des faisceaux lamellaires se recoupant suivant une droite ou des faisceaux ponctuels se déplaçant dans des plans se recoupant suivant une droite, on déplace l'ensemble des faisceaux ou l'objet en rotation autour de cette droite. Dans ce cas les angles formés par les plans des différents faisceaux lumineux entre eux peuvent être uniformes ou encore variables d'un faisceau à l'autre. L'invention a également pour objet un appareil de vidéoqrammétrie caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs paires d'émetteurs laser produisant des faisceaux laser, ces émetteurs laser étant répartis par paires d'émetteurs produisant des paires de faisceaux coplanaires projetés sur la surface d'un objet à analyser, plusieurs caméras vidéo dirigées vers l'objet pour capter les points lumi- neux de courbes de niveau formées aux intersections des divers faisceaux laser avec la surface de l'objet, et des moyens pour provoquer un déplacement relatif entre l'objet et l'ensemble des paires d'émetteurs laser. Le procédé et l'appareil suivant l'invention permettent. du fait de la grande rapidité d'acquisition des données numériques, de les utiliser dans le cadre de proces- sus industriels o le temps d'immobilisation est néces- sairement limité, ou bien encore dans le cas de l'acquisi- tion de caractéristiques morphologiques humaines o un long temps de pose ajoute à l'inconfort le risque d'erreurs dues à des mouvements involontaires. Ils peuvent être appliqués au relevé d'objets de formes complexes du fait de l'élimina- tion de la plus grande partie ou de la totalité des zones cachées. Enfin l'appareil suivant l'invention a une défini- tion élevée et modulable qui permet d'obtenir un grand nombre de points dans certaines zones et un nombre de points plus faible ailleurs. On décrira ci-après,h titre d'exemples non limita- tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de vidéogrammétrie suivant l'invention. 4 2 6 12615343 La figure 2 est une vue de profil schématique de l'appareil de la figure 1. La figure 3 est une vue en plan schématique d'une variante d'exécution de l'appareil de vidéogrammétrie. L'appareil de vidéogrammétrie suivant l'invention qui est représenté sur la figure 1, comprend plusieurs paires d'émetteurs de faisceaux laser, par exemple quatre émetteurs supérieurs 1,2,3,4 et quatre émetteurs inférieurs la,2a,3a,4a. Tous ces émetteurs de faisceaux laser sont situés d'un même côté d'un objet 5 dont la surface doit être mesurée et ils sont dirigés vers cet objet. Les émetteurs supérieurs 1,2,3,4 sont respectivement symétriques des émetteurs inférieurs la,2a,3a,4a. par rapport à un plan horizontal xx' qui passe sensiblement par le centre de l'objet 5. Les deux émetteurs supérieur et inférieur de chaque paire sont disposés dans un même plan vertical et ces deux émetteurs produisent ainsi des faisceaux laser lamellaires contenus dans ce même plan vertical. Ainsi les deux émetteurs l,la émettent chacun un faisceau laser lamel- laire qui est situé dans un plan vertical perpendiculaire au plan de la feuille de dessin et de la même façon les paires d'émetteurs 2,2a;3,3a;4,4a émettent respectivement des fais- ceaux laser lamellaires f2,f3, et f4 situés dans des plans verticaux parallèles. Les faisceaux laser lamellaires verti- caux fl-f4 produisent respectivement, à leurs intersections avec la surface de l'objet 5, des courbes de niveaux cl,c2,c3,c4 qui sont de ce fait contenues dans des plans verticaux parallèles. Suivant une variante chaque émetteur laser produit un faisceau laser ponctuel et des moyens sont prévus pour provoquer un mouvement de balayage très rapide de ce fais- ceau laser dans le plan vertical passnt par l'émetteur. Toutes les courbes de niveau cl-c4 sont "lues" simultanément par un ensemble de quatre caméras vidéo A,B,C,D qui sont disposées symétriquement deux à deux par rapport au plan horizontal xx' et au plan vertical y' parallèle aux plans des faisceaux laser fl-f4. Autrement dit chacune des caméras vidéo A,B,C,D, émet à sa sortie un 2615343 signal analoqique qui correspond à l'analyse des quatre courbes de niveau verticales cl,c2,c3,c4, vues sous l'angle propre de la caméra considérée. De préférence l'axe de chacune des caméras vidéo A,B,C,D fait un angle environ 300 avec le plan horizontal xx' et de 450 avec le plan vertical yy' Les images prises par les quatre caméras vidéo A-D sont numérisées en temps réel et stockées telles quelles dans les plans images d'une ou plusieurs cartes vision 6 placées dans un ordinateur 7 qui pilote l'ensemble des opérations. Par ailleurs l'ensemble des émetteurs laser 14 et la-4a est monté sur un support 8 qui est mobile dans une direction perpendiculaire au plan vertical yy' c'est-à-dire à celui des différents faisceaux laser lamellaires. Le déplacement de l'ensemble des émetteurs de faisceaux laser peut être commandé par tous moyens appropriés, par exemple par un moteur électrique 9 qui est accouplé au support 8 par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission approprié 10. Ce moteur 9 est lui-même relié à un circuit d'alimentation 11 qui est connecté à l'ordinateur 7. Le déplacement de l'ensemble des émetteurs de faisceaux laser peut être effec- tué en translation. Toutefois, compte tenu de la faible amplitude de la translation nécessaire, qui est inférieure à l'espacement entre deux faisceaux laser consécutifs, on peut généralement remplacer cette translation par une rotation, l'erreur ainsi introduite étant faible. Par exemple pour des faisceaux laser espacés les uns des autres de 20mm et des émetteurs laser placés à deux mètre de l'objet 5, l'angle de rotation est inférieur à 0,6 degré. Le fonctionnement de l'appareil qui vient d'être décrit est le suivant: au départ le calculateur 7 commande la mise en position initiale des émetteurs laser, en provo- quant le déplacement du support 8 par l'intermédiaire du moteur électrique 9. Lorsque la position de départ est at- teinte, une prise de vue est effectuée simultanément par chacune des quatre caméras vidéo A,BC,D qui relèvent les quatre courbes de niveau cl, c2,c3,c4 et qui fournissent des 6 2615343 signaux correspondants à l'ordinateur 7. une fois cette prise de vue effectuée, l'ordinateur commande une transla- tion de l'ensemble mobile portant les émetteurs laser sur une distance ou pas élémentaire et il attend que cette translation soit terminée et que les émetteurs laser soient stabilisés avant d'effectuer une nouvelle prise de vue et ainsi de suite. Ainsi chaque prise de vue se traduit par la saisie d'un certain nombre de données numériques correspondant aux quatre courbes de niveau cl-c4 vues par chacune des quatre caméras vidéo A-D. Ce processus se poursuit jusqu'à la fin - de l'acquisition. La durée de cette acquisition dépend du nombre de prises de vue, c'est-à-dire de la quantité d'informations nécessaires et de la vitesse de translation et de stabilisation des émetteurs laser. A la fin de l'acquisition toutes les images mises sous formes de signaux numériques sont transférées à partir des cartes vision 6 dans la mémoire 12 de l'ordinateur 7 et celui-ci effectue, dans son circuit de traitement central 13, les traitements appropriés tels que binarisation, extraction des courbes, traitement des discontinuités, cor- rections géométriques et corrélations entre courbes cor- respondantes obtenues par les différentes caméras. Ce trai- tement permet alors d'obtenir les courbes de niveaux réelles de la surface de l'objet 5, courbes qui peuvent être alors utilisées pour diverses applications, notamment pour la reproduction de la surface de l'objet 5. Avec une caméra vidéo de 512 x 512 pixels et une carte de mémoire lMo, on peut stocker jusqu'à 8 images comportant seize niveaux de gris. Sur la plupart des objets il est possible de traiter dix faisceaux lumineux lamellai- res, ce qui permet d'avoir 80 courbes de niveau soit 40000 points utiles après traitement. Il est possible d'effectuer une telle acquisition en deux à trois secondes même en uti- lisant plusieurs caméras et cartes vision. Il est préférable d'effectuer les prises de vues dans l'obscurité mais il est possible de travailler en lumière ambiante, en utilisant des filtres interférentiels. 7 2615343 Il est également possible de travailler en ambiance lumineu- se contrôlée, avec éventuellement de-simples filtres colo- rés. L'espacement entre les faisceaux laser lamellaires fl,f2,f3,f4 etc peut être uniforme ou variable. Dans ce cas on peut faire en sorte que l'espacement soit plus faible, c'est-à-dire que les faisceaux soient plus rapprochés les uns des autres dans les régions o une définition plus importante est souhaitée. Dans la variante d'exécution de l'invention repré- sentée sur la figure 3, les faisceaux laser lamellaires fl,f2,f3,f4 se recoupent suivant une même droite verticale (ou horizontale) 0 et de ce fait les émetteurs de faisceaux laser 1-4 et la-4a sont disposés horizontalement et radiale- ment, par paires d'émetteurs opposés diamétralement. Les faisceaux laser lamellaires fl-f4 forment entre eux des angles, d'une valeur de 450 dans le cas o il y quatre faisceaux laser et o l'espacement des faisceaux laser est uniforme, et les moyens prévus pour assurer le déplacement relatif entre l'objet 5 et l'ensemble des faisceaux ou émet- teurs laser provoquent un mouvement de rotation autour de l'axe vertical 0. Ce déplacement en rotation s'effectue, comme dans le cas précédant, suivant des pas angulaires de valeur inférieure à l'angle formé par deux faisceaux laser voisins. Là encore cet angle peut être uniforme ou encore variable, suivant la définition que l'on désire obtenir. 8 - 2615343 REVENDICATIONS 1.- Procédé de vidéogrammétrie, dans lequel on pro- jette, sur l'objet, un faisceau lumineux de manière à former, à l'intersection de ce faisceau et de la surface de l'objet, une succession de points lumineux répartis suivant une courbe de niveau, on capte ces points lumineux au moyen d'au moins une caméra vidéo, on analyse l'image vidéo ainsi obtenue en la transformant en informations numériques cor- respondant aux coordonnées des divers points lumineux de chaque courbe de niveau, puis on effectue un déplacement relatif entre l'objet et le faisceau lumineux, d'une dis- tance ou pas élémentaire, pour recommencer le cycle dos opérations de mesure sur la nouvelle courbe de niveau obte- nue, caractérisé en ce qu'on projette simultanément sur l'objet (5) plusieurs faisceaux lumineux (fl-f4) de maniè- re à former plusieurs courbes de niveau différentes (cl-c4) aux intersections des divers faisceaux (fl-f4) avec la surface de l'objet (5), on analyse simultanément l'ensemble des courbes de niveau (cl-c4) formées au moyen des caméras vidéo (A,R,C,D,) et après chaque analyse d'un groupe de courbes de niveau formées (cl-c4) on procède à un déplace- ment simultané, d'un pas élémentaire inférieur à l'espace- ment entre les faisceaux, de tous les faisceaux lumineux (fl-f4) pour former un nouveau groupe de courbes de niveau voisines des courbes du groupe précédent, après quoi on reprend le cycle d'analyse de ces nouvelles courbes et ainsi de suite. 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé - en ce qu'on projette sur l'objet des faisceaux lumineux lamellaires parallèles ou des faisceaux ponctuels effectuant des balayages dans des plans parallèles et on déplace simul- tanément les faisceaux ou on déplace l'objet, les faisceaux restant fixes, en translation dans une direction perpendi- culaire à leurs plans ou à leurs plans de balayages. 3.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on projette sur l'objet des faisceaux lumineux lamellaires se recoupant suivant une même droite (0) ou des faisceaux ponctuels effectuant des balayages dans des plans *9 respectifs se recoupant suivant une droite (0) et on déplace l'ensemble des faisceaux ou l'objet en rotation autour de la droite (0). 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 et 3 caractérisé en ce que les espacements des fais- ceaux lumineux parallèles lamellaires (fl-f4), ou de leurs plans de balayage parallèles ou les angles formés par les différents faisceaux lumineux lamellaires ou par leurs plans de balayage entre eux sont uniformes ou encore variables d'un faisceau à l'autre. 5.- Appareil de vidéogrammétrie caractérisé' en ce qu'il comporte plusieurs paires d'émetteurs laser (1-4;la-4a) produisant respectivement des faisceaux laser (fl-f4), ces émetteurs laser étant répartis par paires d'émetteurs produisant des paires de faisceaux coplanaires projetés sur la surface d'un objet (5) à analyser, plusieurs caméras vidéo (A,B,C,D) dirigées vers l'objet (5) pour capter les points lumineux des courbes de niveau (cl-c4) formées aux intersections des divers faisceaux laser avec la surface de l'objet (5), et des moyens (7,9,11) pour provoquer un déplacement relatif entre l'objet (5) et l'ensemble des paires d'émetteurs laser (1-4;la-4a). 6.- Appareil suivant la revendication 5 caractérisé en ce que les diverses paires d'émetteurs laser (1-4;1a-4a) sont contenues dans des plans parallèles respectifs et les moyens commandant le déplacement relatif entre l'objet (5) et les émetteurs laser provoquent un mouvement de transla- tion dans une direction perpendiculaire aux plans parallè- les contenant les diverses paires d'émetteurs laser. 7.- Appareil suivant la revendication 5 caractérisé en ce que les diverses paires d'émetteurs laser (1-4;la-4a) sont contenues dans des plans respectifs se recoupant suivant une droite (0) et les moyens commandant le dépla- cement relatif entre l'objet (5) et les émetteurs laser provoquent un mouvement de rotation autour de cette droite (0). 8.- Appareil suivant l'une quelcornque des revendi- cations 5 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte quatre caméras vidéo (A,B, C,D) disposées symétriquement par rapport à deux plans perpendiculaires (xx', yy').