Brevet FR2664378A1 — publié le 19920110

APPAREIL DE PROJECTION ET DE PRISE D'IMAGES POUR LA DETERMINATION DE LA FORME TRIDIMENSIONNELLE DVUN OBJET L'invention concerne un appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet par voie optique sans contact. On connaît, par exemple par le Brevet Européen EP 0.182.469, un procédé de détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, qui consiste à projeter sur la surface de cet objet un champ de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité, à former sur un ensemble de photodétecteurs l'image de la surface de cet objet comportant 1 image du champ de franges projeté, et à déterminer les phases des signaux de sortie des photodétecteurs. Les valeurs absolues de ces phases permettent de déterminer les cotes des points de la surface de l'objet le long d'un axe perpendiculaire à l'ensemble de photodétecteurs, et les coordonnées des photodétecteurs dans leur plan correspondant aux coordonnées des points de la surface de l'objet dans un plan parallèle. En pratique, pour connaître les valeurs absolues des phases des signaux des photodétecteurs, et non leurs valeurs modulo 2s, on est amené à projeter successivement sur la surface de l'objet n champs de franges de même pas qui sont déphasés de 2X/n d'un champ au suivant, ainsi que n champs de franges ayant un pas différent du premier cité et qui sont déphasés de 2X/n d'un champ au suivant. Par ailleurs, pour que tous les points du relief de l'objet vus par les photodétecteurs soient correctement éclairés par les moyens de projection des champs de franges, il est souvent nécessaire d'utiliser deux projecteurs situés de part et d'autre des moyens de prise d'images de l'objet et éclairant tous deux la surface de l'objet qui se trouve dans le champ des moyens de prise d'images. Il en résulte en conséquence une multiplication des moyens utilisés au niveau des systèmes de projection des champs de franges et de leur commande ainsi qu'au niveau des moyens de constitution des champs de franges eux-mêmes, ce qui peut compliquer les mesures et augmente le coût de l'appareil. Il peut aussi s'avérer nécessaire de modifier les conditions de projection et de prise de vues pendant une série de mesures sur un objet, par exemple en fonction des différences de dimensions, de nature ou de pouvoir diffusant entre certaines parties de l'objet. Il faut enfin souvent procéder très rapidement à ces mesures, de façon à ce que leur durée totale n'excède pas un temps de quelques secondes. L'invention a pour objet un appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, cet appareil étant simple, fiable, peu coûteux et capable de répondre aux conditions posées plus haut. L'invention propose donc un appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, comprenant des moyens de projection sur l'objet de l'image d'une mire de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité, et des moyens, tels qu'une caméra vidéo, de formation d'une image de l'objet sur un ensemble de photodétecteurs, caractérisé en ce qu'il comprend des jeux de miroirs associés aux moyens de projection pour partager le faisceau lumineux émis par ces moyens et projeter les fractions de faisceau sur l'objet suivant des directions différentes convergeant vers l'objet, et des moyens de multiplexage séquentiel des flux lumineux captés par la caméra. L'invention permet donc, à partir d'un projecteur unique, d'éclairer la surface d'un objet selon des angles différents. Les points de la surface de l'objet, qui sont vus par les photodétecteurs, sont ainsi tous éclairés. Les moyens de multiplexage séquentiel des flux lumineux captés par la caméra permettent de prendre en compte successivement les champs de franges projetés sur la surface de l'objet selon des directions différentes, et d'obtenir ainsi des mesures précises et complètes de la surface de l'objet. Avantageusement, ces moyens de multiplexage séquentiel comprennent un disque tournant à ouvertures radialement décalées, qui sont placées sur le trajet du faisceau lumineux émis et qui n'en laissent passer qu'une partie, de sorte que l'objet n'est éclairé que par une fraction à la fois du faisceau lumineux émis par les moyens uniques de projection. Ces moyens de multiplexage sont particulièrement simples et peu coûteux. L'appareil selon l'invention comprend également des moyens de commutation entre un niveau haut et un niveau bas de l'intensité des signaux lumineux qui sont captés ou transmis par la caméra vidéo. Ces moyens de commutation peuvent être constitués d'un disque tournant à ouvertures placées sur le trajet du faisceau lumineux et dont certaines sont munies d'un filtre d'atténuation. Les rotations continues des disques formant les moyens de multiplexage et les moyens de commutation de niveau sont avantageusement synchronisées avec le déplacement transversal de la mire correspondant à des déphasages de 2X/n du champ de franges projeté sur l'objet. En variante, les moyens de commutation peuvent être constitués par des moyens de réglage du gain de la caméra vidéo. Enfin, les moyens de projection utilisés sont constitués d'un projecteur de diapositives d'un type classique, qui comprend de préférence une source lumineuse émettant dans l'infrarouge, telle par exemple qu'une lampe à filament de tungstène, ce qui permet notamment d'effectuer des mesures sur une plage de longueurs d'onde correspondant au maximum de sensibilité des photodétecteurs. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 représente schématiquement un mode connu de projection et de prise d'images sur la surface d'un objet; la figure 2 représente schématiquement un appareil selon l'invention pour la projection et la prise d'images sur la surface d'un objet; les figures 3 et 4 sont des vues schématiques de deux disques tournants constituant respectivement des moyens de multiplexage et des moyens de commutation de niveaux; la figure 5 est un tableau représentant une séquence d'acquisition de signaux exécutable par l'appareil selon l'invention. Pour mieux faire comprendre l'intérêt de l'invention, on a représenté schématiquement en figure 1 des moyens connus de projection sur la surface d'un objet et de prise d'images de la surface de cet objet, ces moyens comprenant par exemple une caméra vidéo 10 située entre deux projecteurs 12 éclairant la surface d'un objet 14 qui se trouve dans le champ de la caméra 10. L'association des deux projecteurs 12, dont les faisceaux lumineux convergent sur la surface de l'objet qui se trouve dans le champ de la caméra, permet de ne laisser dans l'ombre aucun des points qui sont visibles par la caméra 10. Il en résulte cependant l'obligation d'utiliser deux ensembles de projection et de moyens de commande associés, et de synchroniser les fonctionnements de ces moyens de projection. L'appareil selon l'invention, représenté schématiquement en figure 2, permet d'éviter ces inconvénients. Cet appareil comprend un seul projecteur 12, émettant un faisceau lumineux 16 le long d'un axe optique 18 orienté vers la surface de l'objet 14 dont on veut déterminer la forme tridimensionnelle. De façon connue, le projecteur 12 peut être un projecteur de diapositives d'un type classique, et projette sur la surface de l'objet 14 l'image d'une mire de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité lumineuse, qui peut être formée sur un film inversible du type diapositive. La caméra vidéo 10, à photodiodes CCD par exemple, capte l'image de la mire projetée sur la surface de l'objet 14 et est reliée à des moyens de traitement de l'information, non représentés, permettant de déterminer les coordonnées tridimensionnelles des points de la surface de l'objet 14 qui se trouve dans le champ de la caméra. Selon l'invention, le projecteur 12 est associé à des jeux de miroirs qui permettent de partager le faisceau lumineux émis 16 en fractions de faisceau qui sont ensuite renvoyées vers la surface de l'objet 14 selon des directions convergentes, de telle sorte que tous les points de la surface de l'objet 14 vus par la caméra puissent être éclairés. Dans l'exemple représenté, un premier miroir 20 reçoit une première partie du faisceau lumineux émis et la réfléchit en direction d'un second miroir 22, qui la réfléchit lui-même en direction de l'objet 14. Le premier miroir 20 se termine par exemple sur l'axe optique 18 du projecteur 12, pour réfléchir une moitié du faisceau lumineux émis 16 et laisser passer l'autre moitié de ce faisceau. Un autre miroir 24 réfléchit cette autre moitié du faisceau 16 en direction d'un miroir 26, qui la réfléchit vers l'objet 14. Les fractions de faisceau lumineux 28 et 30, qui sont réfléchies par les miroirs 22 et 26 respectivement et qui ont de préférence des axes optiques parallèles à celui de la caméra 10, se croisent et se chevauchent sur une partie 32 de la surface de l'objet, située dans le champ de la caméra 10. Il est donc nécessaire de réaliser, au niveau de la caméra 10, un multiplexage des signaux qui sont dus à l'éclairage de l'objet 14 par le miroir 22 ou miroir G (miroir de gauche) et de ceux qui sont dus à l'éclairage par le miroir 26 ou miroir D (miroir de droite sur le dessin). Comme l'objet 14 peut également être constitué de parties qui sont plus ou moins diffusantes, on prévoit de modifier le niveau d'éclairement de la surface de l'objet, afin de réaliser une série de mesures valables pour les parties très diffusantes et une série de mesures valables pour les parties moins diffusantes. On peut utiliser pour cela les disques représentés schématiquement dans les figures 3 et 4. Le disque 34 de la figure 3 est destiné à être monté dans le projecteur 12, par exemple au voisinage immédiat de la mire de franges rectilignes, et est excentré par rapport à l'axe optique 18 du projecteur, dont l'objectif a été représenté schématiquement en 36. Le disque 34 est réalisé en matière opaque ou non transparente au faisceau lumineux émis par le projecteur 12, et comprend deux découpes annulaires 38 et 40, s'étendant sur 180 et qui sont diamétralement opposées l'une à l'autre, ces deux découpes étant en outre radialement décalées l'une par rapport à l'autre et ayant une largeur égale au rayon de l'objectif 36, de telle sorte que la découpe 38 va permettre le passage de la moitié gauche du faisceau lumineux émis par le projecteur et interdire le passage de la moitié droite de ce faisceau, et qu inversement la découpe 40 permettra le passage de la moitié droite de ce faisceau en interdisant le passage de la moitié gauche. La rotation du disque 34, par exemple dans le sens indiqué par la flèche 42, autour de son axe central, va donc se traduire par des éclairements successifs alternés droite-gauche de la surface de l'objet 14. Le disque 44 représenté en figure 4 est destiné à régler le niveau d'éclairement de la surface de l'objet 14 entre deux valeurs haute et basse, grâce à l'interposition séquentielle de filtres d'atténuation sur le trajet du faisceau lumineux émis par le projecteur 12. Pour cela, le disque 44 va comprendre des parties pleines 46 totalement opaques au faisceau lumineux émis, une partie filtrante 48, laissant passer ce faisceau lumineux en atténuant l'intensité d'éclairement, et des parties complètement transparentes 50, formées par exemple par une découpe de la matière du disque 44. Dans l'exemple représenté en figures 3 et 4, les disques 34 et 44 sont destinés à être utilisés l'un avec l'autre, en étant centrés sur le même axe de rotation et en étant entraînés dans le même sens à des vitesses différentes, celle du disque 44 étant la moitié de celle du disque 34. Les rotations de ces disques 34 et 44 sont synchronisées avec les déplacements transversaux des mires à franges rectilignes, déplacements qui correspondent à des déphasages de 2X/n. Lorsque n est égal à 4 et que l'on utilise deux mires ayant des pas entre franges différents, on peut obtenir la séquence d'acquisition de signaux qui est représentée schématiquement en figure 5. Dans cette séquence, on utilise la mire n 1 pour l'acquisition d'une première série de signaux, puis on la remplace par la mire n 2 et on refait la même série de mesures. Chaque série de mesure comprend un éclairage côté droit et un éclairage côté gauche pour un premier niveau d'éclairement, puis un éclairage côté droit et un éclairage côté gauche pour un deuxième niveau d'éclairement. Pour chaque côté d'éclairement et chaque niveau d'éclairement, on réalise quatre mesures correspondant à la projection successive de quatre champs de franges qui sont décalés de n;/2 l'un par rapport à 1 'autre. On réalise ainsi 16 mesures ou acquisitions de signaux avec la mire n"l, puis 16 mesures ou acquisitions de signaux avec la mire n"2. La durée totale de ces acquisitions de signaux, y compris la durée du changement de mire, peut être de une à quelques secondes selon les applications envisagées. La synchronisation des rotations des deux disques 34 et 44 permet de commuter le niveau d'éclairement sur un côté, pendant que le disque de multiplexage 34 éclaire l'autre côté, et ainsi de suite. Les moyens de commutation de niveau d'éclairement qui ont été décrits (disque 44 représenté en figure 4) permettent de faire une série complète de mesures avec le gain de la caméra vidéo réglé sur une valeur constante. On peut bien entendu, au lieu de modifier le niveau d'éclairement de la surface de l'objet 14 par rotation du disque 44 sur le trajet du faisceau lumineux émis, modifier le gain de la caméra vidéo. Par ailleurs, les deux disques 34 et 44 pourraient être remplacés par un disque unique de diamètre plus important avec pour conséquence une augmentation de l'encombrement. En ce qui concerne le projecteur 12, il peut être équipé d'une source lumineuse émettant un flux optique de 20W (pour une application particulière) en dehors du spectre visible, par exemple dans l'infrarouge. On peut utiliser pour cela une lampe à filament de tungstène rayonnant à une température de 3000 K, ce qui correspond à un maximum d'éclairement dans une bande de longueurs d'onde centrée sur un micromètre environ, ce qui est le domaine de sensibilité maximale des photodétecteurs CCD de la caméra vidéo. REVENDICATIONS 1. Appareil de projection et de prise d'images pour la détermination de la forme tridimensionnelle d'un objet, comprenant des moyens (12) de projection sur l'objet (14) de l'image d'une mire de franges rectilignes à variation spatiale sinusoïdale d'intensité lumineuse, et des moyens tels qu'une caméra vidéo (10) de formation d'une image de l'objet sur un ensemble de photodétecteurs, caractérisé en ce qu'il comprend des jeux de miroirs (20, 22, 24, 26) associés aux moyens de projection (12) pour partager le faisceau lumineux (16) émis par ces moyens et projeter les fractions de faisceau sur l'objet (14) suivant des directions différentes convergeant vers l'objet, et des moyens (34) de multiplexage séquentiel des flux lumineux captés par la caméra (10). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de multiplexage séquentiel comprennent un disque tournant (34) à ouvertures (38, 40) radialement décalées qui sont placées sur le trajet du faisceau lumineux (16) émis par les moyens de projection et qui n'en laissent passer qu'une partie de telle sorte que l'objet (14) n'est éclairé que par une fraction à la fois du faisceau lumineux (16) émis. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens (44) de commutation entre un niveau haut et un niveau bas de l'intensité des signaux lumineux captés ou transmis par la caméra vidéo (10). 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commutation précités comprennent un disque tournant (44) à ouvertures (48, 50) placées sur le trajet du faisceau lumineux émis (16) et dont certaines sont munies d'un filtre d'atténuation (48) 5. Appareil selon l'ensemble des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les rotations des deux disques (34, 44) sont synchronisées. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les rotations continues des disques (34, 44) sont synchronisées avec le déplacement transversal de la mire correspondant à des déphasages de 2X/n du champ de franges projeté sur l'objet (14). 7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en que les moyens de commutation sont constitués par des moyens de réglage de gain de la caméra vidéo (10) 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de projection (12) comprennent un projecteur de diapositives d'un type classique, équipé d'une source lumineuse émettant en dehors du spectre visible, par exemple dans l'infrarouge, telle qu'une lampe à filament de tungstène par exemple.