Brevet FR2670282A1 — publié le 19920612

La présente invention concerne un procédé de détermination des champs de déplacement à la surface d'un élément soumis à déplacement, par traitement automatique de figures de granularité. On connaît tout l'intérêt que représente le contrôle d'éléments de structure en mode statique, et en mode dynamique, ainsi que l'élaboration de lois de comportement de matériaux soumis à des contraintes ou à des sollicitations. L'étude des champs de déformation de ces matériaux a ainsi conduit à mettre au point des techniques de mesure des champs de déplacement des matériaux soumis à des déformations. Parmi les différentes méthodes mises en oeuvre, la méthode dite "de granularité laser" stest ainsi révélée particulièrement intéressante. On sait qu'une telle méthode consiste, dans un premier temps, à éclairer l'élément de structure à étudier par une lumière cohérente fournie par un laser (par exemple à He-Ne), la rugosité naturelle ou artificielle de la surface de l'élément de structure fournissant des sources ponctuelles qui provoquent des interférences dans l'espace. Une telle image dite "de granularité laser" est enregistrée sur un négatif holographique. Dans un deuxième temps, l'élément de structure est soumis à un chargement thermomécanique provoquant des déplacements locaux des aspérités constituant les dites sources ponctuelles, réalisant un déplacement similaire des figures de granularité. On obtient ainsi une seconde image, qui est enregistrée sur le même négatif que la précédente. Chacun des négatifs utilisés dans cette méthode contient ainsi deux images superposées du même élément de structure, à deux instants consécutifs, à savoir avant la déformation et après celle-ci. En répétant cette opération on obtient un enregistrement de l'ensemble des champs de déplacement de l'élément de structure au cours des sollicitations mécaniques auxquelles il est soumis. Dans un troisième temps on procède au dépouillement des images obtenues. Pour ce faire on dispose le négatif contenant les deux images superposées sur un support permettant d'une part de maintenir le plan de celui-ci perpendiculaire à un axe optique et, d'autre part, de le soumettre à un mouvement croisé suivant deux axes orthogonaux x-y, par exemple à l'aide de moyens de déplacement constitués par des moteurs pas à pas commandés par un calculateur. On éclaire ensuite une zone déterminée du négatif, au moyen d'un faisceau laser fin, ce qui provoque la formation, sur un écran, de franges d'interférence, provoquées par l'existence de "bipoints" dans la zone éclairée. On sait que le déplacement local, c'est-à-dire la distance moyenne séparant les "bipoints" sur le négatif, est lié par une relation connue, au pas des franges et à leur orientation par rapport à un référentiel fixe. Le dépouillement proprement dit consiste ainsi à obtenir ces deux valeurs. Ceci peut se faire, de façon connue, soit par des moyens manuels soit par des moyens automatisés. On peut ainsi faire appel à des moyens de numérisation des franges d'interférence obtenues, puis à un traitement automatisé de celles-ci à l'aide de logiciels et de moyens de calcul connus appropriés. Le calcul une fois terminé pour un point, le négatif est déplacé par rapport à l'axe optique du faisceau laser, à l'aide des moyens de déplacement en x-y constitués par les moteurs pas à pas, et l'opération de dépouillement est recommencée.Lorsque l'ensemble du dépouillement est terminé, c'est-à-dire lorsqu'on a répété cette opération pour tous les points de la zone, on dispose des champs de déplacement, et en conséquence, des champs de déformation qui peuvent en être déduits, et qui caractérisent les déformations subies par ledit élément de structure. Une telle méthode présente un certain nombre de contraintes. Une première contrainte réside dans la nécessité de la mise en oeuvre d'une lumière cohérente, ce qui rend cette méthode inadaptée à des mesures réalisées en extérieur sur des structures difficilement accessibles ou lointaines, ou sur des surfaces importantes, telles que par exemple celles constituées par un tablier de pont, ou un barrage, ce qui l'a fait réserver, jusqu'à présent, à des mesures effectuées en laboratoire. Une seconde contrainte propre à cette méthode de mesure réside dans le fait que les deux images sont obtenues sur un même négatif à des instants donnés déterminés, ce qui rend sa mise en oeuvre quasi impossible dans le cas où les instants de la prise de vue ne dépendent pas de l'opérateur, mais sont fonction de phénomènes extérieurs indépendants de celui-ci. De plus, cette méthode ne permet d'obtenir que des mesures figées dans le temps, aux deux instants déterminés de la prise de vue, de sorte qu'il est ainsi impossible de déterminer les champs de déplacement existant à un instant différent. Or l'étude de certains phénomènes de déformation requiert parfois un suivi dans le temps, qui ne peut être obtenu, par les méthodes de granularité laser classique, qu'en recommençant des séries de mesures à des instants différents. Or dans de nombreux cas, tels que, par exemple, des essais destructifs ou des essais réalisés sur des éléments soumis à des charges dépassant la limite élastique de l'élément de structure testé, il n'est pas possible de reprendre les essais, sauf à remplacer l'élément de structure par un nouvel élément. La présente invention a ainsi pour but de fournir un procédé permettant de réaliser une détermination automatique des champs de déplacement, par exemple d'éléments de structure soumis à des contraintes, qui ne nécessite pas, pour sa mise en oeuvre, l'utilisation d'une lumière cohérente et qui, de plus, permet de choisir les instants entre lesquels on détermine les champs de déplacement. La présente invention a ainsi pour objet un procédé de détermination des champs de déplacement à la surface d'un élément soumis à déplacement, par traitement de figures de granularité existant à la surface de cet élément, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : réaliser une image d'au moins une zone de la surface de l'élément à au moins deux instants donnés successifs, numériser les images obtenues, de façon à obtenir une série de valeurs caractéristiques d'une série de points formant ces images, traiter numériquement lesdites valeurs caractéristiques de façon à obtenir une nouvelle série de valeurs dites "valeurs d'images superposées numériquement" représentant, sous forme numérique, l'équivalent d'une superposition des deux images, réaliser, pour chaque point (M) de ladite zone, une transformation de Fourier bidimensionnelle, modulée par une fonction de modulation, des "valeurs d'images superposées numériquement", de façon à obtenir un équivalent numérique des franges d'interférence, du type de celles obtenues par un phénomène de diffraction produit par un faisceau de lumière cohérente fin traversant l'image résultant de la superposition des deux images initiales, et calculer, pour chaque point (M), à partir de l'équivalent numérique des franges d'interférence, la direction, le sens et l'intensité d'un vecteur déplacement. Dans une première forme de mise en oeuvre de l'invention on peut utiliser le contraste naturel de la surface de la pièce pour obtenir des images de granularité naturelle. La saisie des images peut être réalisée par une caméra vidéo numérique, et il n'est pas nécessaire, dans ce cas, de faire appel à une source de lumière cohérente, puisqu'il est facile de régler le contraste des images fournies par ce type de caméra. Après la saisie des images on effectue, numériquement, la superposition de deux de cellesci, de façon à obtenir un ensemble de "bipoints". Selon la présente invention, la diffraction d'un faisceau laser fin utilisé par la technique antérieure et qui permet de faire apparaître des franges d'interférence, est simulée ici par une transformation de Fourier bidimensionnelle modulée d'une zone choisie correspondant à la zone "éclairée" suivant la technique antérieure. On obtient ainsi des "franges d'interférence numériques" qui, après une analyse automatique de leur pas, de leur orientation, et une autocorrélation à l'aide d'un logiciel et de moyens de calcul appropriés, fournissent l'intensité du vecteur déplacement local, et la direction et le sens de celui-ci. Lorsque, dans certains cas particuliers, il s'avère nécessaire d'augmenter le contraste de l'image ou de diminuer la taille des points constrastés, il est bien entendu possible de faire appel alors à une source de lumière cohérente, fournie habituellement par un laser, pour produire une image dite "de granularité laser" également désignée sous le terme de "SPECKLE LASER". Dans une autre variante intéressante de l'invention, l'image est enregistrée par une caméra pouvant être soit de type analogique, c'est-à-dire une caméra cinématographique normale, soit de type vidéo numérique, ce qui permet de réaliser une saisie d'une série d'images de l'élément de structure à analyser s'étendant sur une période de temps importante. I1 est ainsi possible d'assurer une véritable surveillance d'un élément de structure donné, puisqu'il sera possible ultérieurement d'extraire, de la série d'images obtenue, les deux images respectivement nécessaires à la mise en oeuvre du procédé.Ces images, dans le cas de l'utilisation d'une caméra de type analogique, sont ensuite transformées en "images numériques", et on est ainsi en mesure de procéder, pour une partie de la zone de l'élément de structure intéressante, aux opérations de traitement précédemment mentionnées et fournissant les champs de déplacement à l'instant présentant le plus d'intérêt pour l'utilisateur. Le procèdé suivant l'invention peut également être utilisé pour réaliser la mesure de champs de déplacement d'un fluide en écoulement. La "granularité" ou contraste naturel de la surface sera alors obtenue en disposant dans le fluide des microparticules visibles contrastées, telles que des poudres de silice. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue, schématique, d'un dispositif de la technique utilisée dans l'art antérieur pour réaliser la saisie des images nécessaires à la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. La figure 2 est une vue schématique en élévation du dispositif de dépouillement mis en oeuvre par la technique antérieure. La figure 3 est une vue schématique d'un dispositif de saisie d'images, mis en oeuvre suivant le procédé de l'invention. La figure 4 représente sous forme de schéma synoptique un dispositif de mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. La figure 5 est un exemple de champs de déplacement fourni par le procédé suivant l'invention, dans le cas d'un fluide en écoulement. Sur la figure 1, qui représente un banc de saisie d'images destiné à la mise en oeuvre d'un procédé de granularité laser suivant l'état antérieur de la technique, un élément de structure 1 à étudier est éclairé par une source de lumière cohérente 3, constituée par un laser hélium-néon. Un appareil photographique 5 dont l'axe optique de prise de vue x,x' est perpendiculaire à la face avant de l'élément de structure 1 à photographier, est disposé à distance convenable de celui-ci et permet de réaliser, à un instant t0, une photographie de l'élément de structure 1.Ce dernier est ensuite soumis à déformation, soit par le jeu de contraintes F exercées sur lui, soit par suite de la variation de tout autre paramètre, tel que, par exemple, la température, et une seconde image est réalisée, comme exposé précédemment, du même élément de structure 1 à un instant tl, sur le même film de prise de vue que celui utilisé pour réaliser la première image. Les deux images sont donc sensiblement superposées, à cette différence qu'un point donné A de l'image de la première photo se retrouve déplacé en A' sur la seconde photo. On obtient donc ainsi une image constituée d'une série de bipoints A,A'. Il convient ensuite de procéder à l'analyse de l'image ainsi obtenue. Pour ce faire, comme représenté sur la figure 2, l'image à analyser est disposée dans un portenégatif 7 maintenu vertical sur une table 9, ce porte-négatif étant pourvu de moyens de déplacement suivant deux axes orthogonaux vertical et horizontal, commandés par exemple par des moteurs pas à pas 10 dont le déplacement est géré par un ordinateur (non représenté). Une source de lumière cohérente 11, telle qu'un laser hélium-néon, dont le faisceau est dirigé perpendiculairement à la surface du film négatif supporté par le porte-négatif 7, traverse le film, ce qui permet d'obtenir, de façon connue, des franges d'interférence sur un écran 13. Ces franges d'interférence sont ensuite dépouillées afin d'obtenir l'inclinaison des franges et la valeur de leur pas.Cette opération de dépouillement peut s'effectuer soit manuellement, en réalisant les mesures directement sur l'écran 13, soit de façon automatisée à l'aide d'un calculateur 14 en opérant la saisie des franges d'interférences et en réalisant le traitement à l'aide de logiciels connus appropriés. Comme on peut le constater, tant l'opération de saisie des images que celle de leur traitement pour en extraire les valeurs susmentionnées sont réalisées à l'aide d'un matériel délicat, fragile et encombrant, ce qui en exclut pratiquement l'usage sur des sites extérieurs. La figure 3 montre la première phase de la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Sur celle-ci les moyens de prises de vue sont constitués d'une caméra 15 de type vidéo, c'est-à-dire une caméra dans laquelle l'image de l'objet vient se former sur une matrice de "pixels", dont le nombre conditionne la précision de la mesure, cette matrice de "pixels" étant reliée à des moyens de mémorisation, constitués par exemple par la mémoire d'un ordinateur 16. On utilise ici le contraste naturel de la surface de la pièce pour obtenir deux images successives de granularité naturelle, à des instants t0 et tl, respectivement avant et après une déformation de l'élément de structure 1 à étudier. Les images ainsi obtenues sont automatiquement numérisées en raison du principe même de l'enregistrement par pixels de la caméra vidéo, et on stocke ainsi dans la mémoire de l'ordinateur 16 une série de valeurs numériques correspondant à la valeur de la luminance éclairant chaque "pixel". Dans une seconde phase de mise en oeuvre de l'invention, on réalise un traitement numérique de ces valeurs de façon à recréer mathématiquement, par des techniques connues, l'équivalent mathématique d'une superposition optique des deux images telles qu'on l'obtenait dans la technique antérieure. On obtient une nouvelle série de valeurs représentant les "bipoints" de la technique antérieure. Dans une troisième phase on simule, sous forme numérique, le passage de la lumière émise par le laser à travers une zone de l'image précédemment traitée et constituée des bipoints, ce qui conduit à réaliser numériquement l'équivalent d'une diffraction par un faisceau laser fin, provoquant l'apparition de "franges d'interférence numériques", à cette différence près que la transformée de Fourier bidimensionnelle est modulée pour redistribuer l'intensité moyenne différemment dans l'image ainsi créee d'une zone, correspondant à la zone éclairée par le laser dans la méthode conventionnelle.Dans le calcul ainsi réalisé la "lumière" de chaque "pixel" est "condensée" au centre géométrique de ce dernier, la transformation de Fourier modulée conduisant, en fait, à calculer l'intensité modulée en un point M de l'espace, qui est la résultante de la somme de toutes les lumières émises par chaque centre de "pixel" de la zone considérée. On calcule ensuite, comme précédemment, le déplacement du point M et la direction de celui-ci à partir de l'écartement et de l'inclinaison des "franges d'interférence numériques". Le point M est ensuite déplacé numériquement et le calcul est repris pour ce point. De plus, afin de lever l'indétermination portant sur le sens du vecteur déplacement, on réalise une autocorrélation numérique. On procède ainsi pour tous les points de la zone considérée. La présente invention permet ainsi d'éliminer les dispositifs coûteux de déplacement sur deux axes ainsi que leurs moyens d'asservissement. La présente invention permet également de réaliser un gain de temps appréciable puisqu'elle permet de supprimer, dans un mode de mise en oeuvre spécifique, l'étape de traitement du film photographique. Dans une variante de mise en oeuvre, représentée schématiquement sur la figure 4, on réalise une saisie d'images successives, en continu, d'une structure 1, par exemple d'une structure en cours de déformation, à l'aide d'une caméra de prise de vue 17 reliée à des moyens d'enregistrement 19. La caméra 17 ainsi que les moyens d'enregistrement 19 peuvent être de type analogique, c'est-à-dire qu'ils peuvent être constitués d'une caméra cinématographique enregistrant sur un film photographique l'image de la structure 1 en cours de déformation. Ce mode de mise en oeuvre permet ainsi de réaliser la première phase du procédé en utilisant un matériel existant quasi-standard, ne faisant appel à aucune spécificité particulière. Ce procédé permet également de réaliser une surveillance permanente, ou quasi permanente, d'ouvrages de dimensions importantes ou d'ouvrages difficiles d'accès tels que par exemple des barrages ou des structures de pont. On réalise ensuite une sélection des images obtenues, à des instants où il est intéressant pour l'utilisateur de connaître les champs de déplacement de la structure 1. Lorsque la saisie des images a été réalisée sous forme analogique, les images analogiques sélectionnées sont ensuite numérisées, puis traitées numériquement, comme exposé précédemment, de façon à fournir des "franges d'interférences numériques" dont on déterminera ensuite l'inclinaison et l'écartement, de façon à déterminer la direction et la valeur du déplacement. Un avantage du présent mode de mise en oeuvre est qu'il permet de sélectionner, a posteriori, parmi des images précédemment enregistrées, celles qui sont les plus intéressantes pour l'utilisateur. Par exemple en cas de rupture d'une structure, il est même possible de tracer l'évolution dans le temps des champs de déformation précédant celle-ci, ce qui n'était pas envisageable par les techniques conventionnelles. Bien entendu, de façon à améliorer le contraste des images obtenues, il est possible de mettre en oeuvre le présent procédé en "granularité laser". Pour cela la structure à étudier est éclairée par une source de lumière cohérente au moyen d'un laser, par exemple de type héliumnéon. On notera que le traitement numérique mis en oeuvre pour obtenir des franges d'interférence numériques prend en compte le traitement d'une fonction connue sur un domaine borné, correspondant à la zone éclairée par un "laser numérique". Il est donc approprié, comme précisé précédemment, de corriger la luminance, ou intensité lumineuse, par une fonction qui se rapproche le plus possible de la perturbation connue. Dans la pratique, on a constaté qu'une précision suffisante pouvait être obtenue avec une fonction de modulation du type rn, r représentant la distance des franges au centre M du point du calcul et n ayant une valeur voisine de 3. La présente invention peut également être mise en oeuvre pour réaliser la mesure de champs de déplacement d'un fluide en mouvement. Suivant l'invention, afin de recréer tine "granularité" naturelle, ou un contraste naturel de la surface du fluide en mouvement, on dispose dans celui-ci de fines particules dont, par exemple, la couleur ou le pouvoir de réflexion permet d'obtenir un bon contraste avec le fluide, et on réalise une prise de vues soit au moyen d'une caméra vidéo, soit à l'aide d'une caméra cinématographique de type analogique. Les images obtenues sont successivement traitées comme mentionné précédemment. Ainsi sur la figure 5 on a représenté un type de champ de déplacement figurant l'écoulement d'un flux d'air 21, au contact d'un obstacle 23, dans lequel on a injecté des particules extrêmement fines de silice de façon à constituer une "granularité" de surface. REVENDICATIONS l.-Procédé de détermination des champs de déplacement à la surface d'un élément soumis à déplacement, par traitement de figures de granularité existant à la surface de cet élément, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à -réaliser une image d'au moins une zone de la surface de l'élément à au moins deux instants donnés successifs, -numériser les images obtenues, de façon à obtenir une série de valeurs caractéristiques d'une série de points formant ces images, -traiter numériquement lesdites valeurs caractéristiques de façon à obtenir une nouvelle série de valeurs dites "valeurs d'images superposées numériquement" représentant, sous forme numérique, l'équivalent d'une superposition optique des deux images, -réaliser, pour chaque point (M) de ladite zone, une transformation de Fourier bidimensionnelle, modulée par une fonction de modulation, des "valeurs d'images superposées numériquement", de façon à obtenir un équivalent numérique des franges d'interférence, du type de celles obtenues par un phénomène de diffraction produit par un faisceau de lumière cohérente fin traversant l'image résultant de la superposition des deux images initiales, -calculer, pour chaque point (M), à partir de l'équivalent numérique des franges d'interférence, la direction, le sens et l'intensité d'un vecteur déplacement. 2.-Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la fonction de modulation de la transformation de Fourier bidimensionnelle est égale à rn, où r représente la distance des franges au centre dudit point (M) et n est un exposant dépendant de la forme de ladite zone. 3.-Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la valeur de l'exposant n est d'environ de 3. 4.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on réalise la saisie des images de ladite zone sous forme analogique. 5.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la saisie des images s'effectue de façon continue. 6.-Procédé suivant la revendication 5 caractérisé en ce qu'on réalise, entre la phase de saisie des images et la phase de numérisation, une opération de sélection des images, de façon à obtenir un ensemble de deux images se situant respectivement aux instants entre lesquels on souhaite déterminer le champ de déplacement de l'élément à étudier. 7.-Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on éclaire, au cours de la phase de prise de vue, l'élément à étudier par une lumière cohérente. 8.-Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément est une structure soumise à des sollicitations. 9.-Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément est un fluide. 10.-Procédé suivant la revendication 9 caractérisé en ce que l'on constitue des "figures de granularité" dans le fluide en mélangeant à celui-ci de fines particules présentant des conditions de contraste élevé par rapport au fluide.