Brevet FR2693003A1 — publié le 19931231

La présente invention concerne un dispositif opto-électronique de numérisation de formes tridimensionnelles d'un objet. Diverses techniques de numérisation de formes tridimensionnelles sont utilisées pour de nombreuses applications pour lesquelles la connaissance précise de la forme d'un objet est une source d'information. Ces techniques permettent la représentation de l'objet physique tridimensionnel par un fichier informatique composé par les coordonnées des points discrétisés de la surface de cet objet. Ce type de représentation est de plus en plus utilisé dans des domaines tels que la conception et fabrication assistées par ordinateur (CFAO) pour la vérification des formes conçues par ordinateur et réalisées par la machine à commande numérique, la mise au point de prothèses adaptées dans le domaine biomédical, ou la copie sans détérioration d'oeuvres artistiques, par exemple. Pour réaliser cette numérisation, les techniques optiques d'analyse des surfaces d'objets sont les plus adaptées. L'avantage principal offert par ces techniques par rapport aux techniques de moulage ou de palpage mécanique est dû à l'aspect non destructif et temps réel du fait de l'absence de contact entre l'objet et la sonde de numérisation. Un grand nombre de méthodes de numérisation ont été développées pour des domaines aussi variés que la microtopographie de surfaces d'objets, le relevé de volumes d'objets de grande dimension ou l'analyse tridimensionnelle de scènes pour le guidage de robots. La technique de triangulation optique et balayage de la surface par une raie laser est également très utilisée dans l'industrie dans sa forme la plus simple de mesure de distance sans contact et sera rappelée ultérieurement en référence notamment à la figure 1. La distance d'une cible objet est proportionnelle au décalage de l'image de cette cible sur un détecteur. La méthode de balayage par raie laser est la plus utilisée dans le domaine industriel du fait de sa simplicité de mise en oeuvre. Celle-ci est dérivée de la méthode de base de triangulation optique et a été étendue à la numérisation de reliefs par l'association de deux dispositifs de balayage permettant: a) un balayage ligne, ou raie laser, pour la mesure simultanée de la distance d'un ensemble de points le long de cette ligne.La figure 2 représente un tel dispositif comprenant une source laser 1 projetant une raie laser 2 sur la surface d'un objet à analyser 3 et un dispositif d'acquisition 4 de la raie laser projetée constitué par une caméra vidéo à détecteur à éléments CCD; b) un balayage angulaire perpendiculaire à cette ligne permettant de mesurer les distances de l'ensemble des points de la surface considérée de l'objet 3 par rapport à un plan de référence lié au dispositif de mesure comme représenté en figure 3.Comme cela ressort de cette figure, la numérisation totale d'un volume peut être obtenue de deux manières : par rotation de l'objet 3 autour d'un axe y perpendiculaire à l'axe optique de visée O de cet objet ou bien par rotation du dispositif de mesure comprenant la source laser 1 et le dispositif d'acquistion 4 autour de l'objet 3 et dans un plan P contenant l'axe optique de visée O. Les deux balayages suivants les axes x et y de la figure 3 sont obtenus différemment. Ainsi, la formation de la raie laser qui éclaire l'objet 3 le long de l'axe x est obtenue par transformation du faisceau laser au moyen d'une optique sphérocylindrique (non représentée). Cette dernière diverge le faisceau laser suivant un seul axe et produit en sortie un pinceau lumineux. Le mouvement qui effectue le déplacement de la raie laser le long de l'axe x pour couvrir la surface de l'objet à analyser 3 est réalisé de deux façons: a) par balayage de cette raie au moyen d'un miroir tournant déviant le pinceau lumineux et synchronisé avec le dispositif d'acquisition d'image 4; b) par translation ou rotation micrométrique du dispositif de mesure (1, 4). La couverture d'une surface de l'objet à analyser pour chaque numérisation par l'une de ces méthodes nécessite obligatoirement l'addiction d'un mouvement mécanique auxiliaire de rotation ou de translation au dispositif de mesure. La présente invention propose un dispositif permettant de s'affranchir de ce mouvement micrométrique auxiliaire qui est souvent une source d'erreur et de fragilité des appareils en milieu industriel. A cet effet, la présente invention propose un dispositif opto-électronique de numérisation de formes tridimensionnelles d'un objet, du type comprenant des moyens de projection sur l'objet de raies lumineuses, des moyens d'acquisition ou de reprise des raies lumineuses projetées sur l'objet et des moyens de calcul des coordonées des points de chaque raie lumineuse et qui est caractérisé en ce que les moyens de projection comprennent un modulateur spatial de lumière ou valve à cristaux liquides ; une source de lumière; un premier objectif d'éclairement uniforme de la valve à cristaux liquides ; un second objectif de projection de l'image de la valve, comprenant une raie lumineuse, sur l'objet à analyser; et des moyens commandant la valve à cristaux liquides de manière à générer séquentiellement des raies de lumière blanche projetées sur l'objet à analyser. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de commande précités de la valve à cristaux liquides comprennent un programme de microordinateur formant les moyens de calcul précités apte à générer à partir d'une carte mémoire d'image du micro-ordinateur une raie de lumière blanche de transparence maximale sur un fond noir et à l'afficher sur la valve à cristaux liquides et un algorithme du micro-ordinateur apte à renouveler l'image numérique source de l'image vidéo affichés sur la valve à cristaux liquides en effectuant des déplacements élémentaires de la raie de lumière blanche par intervalles de temps synchronisés avec la fréquence d'acquisition de l'image projetée par les moyens d'acquistion constitués de préférence par une caméra vidéo à capteur CCD. Les moyens de projection projettent les raies de lumière blanche sur l'objet à analyser de façon parallèle à l'axe des ordonnées du plan de référence lié à l'objet et sont déplacées séquentiellement sur l'axe des abscisses de ce plan avec un angle d'incidence entre l'axe de projection et l'axe d'acquisition ou de reprise par les moyens d'acquisition, qui est variable. Les coordonnées des raies de lumière blanche dans le plan de référence lié à l'objet sont déterminées par les moyens de calcul à partir de la connaissance de la valeur du grandissement optique et la coordonnée correspondant au relief est calculée par les moyens de calcul pour chaque raie de lumière blanche à partir de l'angle d'incidence 8 selon la formule: dx dz' = Cotg 13 m où m est le grandissement optique et dx est le déplacement élémentaire de la raie de lumière sur l'axe des abscisses dans le plan de la valve à cristaux liquides. Les moyens de calcul précités calculent les coordonnées pour chaque raie de lumière blanche par rapport à un plan de référence provisoire passant par l'intersection de l'axe de projection avec l'axe optique des moyens d'acquisition et rapportent ensuite ces calculs à un plan de référence unique. Les moyens d'acquisition précités saisissent, pour chacune des positions d'une raie dans la valve à cristaux liquides, l'image stationnaire de l'objet à analyser ainsi que l'image de la raie projetée qui lui est superposée et le microordinateur précité comprend une mémoire stockant l'image seule de l'objet à analyser et des moyens pour éliminer L'image de cet objet par extraction du fond stationnaire afin d'isoler l'image de chaque raie projetée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels:: - la figure 1 représente un dispositif optique de numérisation du relief d'un objet à analyser par triangulation optique selon la technique antérieure; - la figure 2 représente un dispositif de projection d'une raie laser sur la surface de l'objet à analyser et d'acquisition ou de reprise de la raie projetée selon la technique antérieure - la figure 3 représente un dispositif de numérisation de relief d'un objet par rotation de l'objet ou par rotation du dispositif de mesure à source laser et à dispositif d'acquisition selon la technique antérieure; - la figure 4 représente le dispositif de projection vidéo conforme à l'invention utilisant une valve à cristaux liquides;; - la figure 5 représente le principe de projection séquentielle de franges ou raies de lumière générées sur la valve à cristaux liquides à partir d'un microordinateur du dispositif de la figure 4, - la figure 6 représente le dispositif de numérisation de relief conforme à l'invention par projection vidéo de franges ou raies de lumière séquentielle; et - la figure 7 représente un plan de référence dans le plan du détecteur CCD d'une caméra vidéo d'acquisition des raies de lumière projetées sur la surface de l'objet à analyser et servant au calcul des coordonnées pour chaque point de la raie ou frange numérisée. Le dispositif opto-électronique de numérisation de formes tridimensionnelles est du type comprenant, comme représenté aux figures 4 à 6, des moyens de projection 1 sur une surface de l'objet à analyser 3 de raies lumineuses, des moyens d'acquisition ou de reprise 4 des raies lumineuses projetées sur l'objet 3 et des moyens 5 de calcul des coordonnées des points de chaque raie lumineuse. Les moyens de projection 1 comprennent un modulateur spatial de lumière SLM (spatial light modulator) ou valve à cristaux liquides 6 ; une source de lumière 7 ; un premier objectif 8 d'éclairement uniforme de la valve à cristaux liquides 6 ; un second objectif 9 de projection de l'image de la valve 6 comprenant une raie lumineuse sur l'objet à analyser 3 et des moyens commandant la valve à cristaux liquides 6 de manière à générer séquentiellement des raies de lumière blanche projetées sur l'objet à analyser 3 comme cela sera décrit ultérieurement. Une valve à cristaux liquides, résultat des avancées de l'électronique et de la technologie des cristaux liquides, est une matrice composée de N x N éIéments d'image élémentaires et dont la transparence peut être contrôlée pour chacun de ces éléments d'image. Une telle valve est analogue à une diapositive dont on peut modifier la transparence pour chacun de ses points. Cette modulation de transparence est réalisée par la modulation d'un signal vidéo. L'utilisation la plus connue actuellement d'une telle valve est l'écran d'affichage de télévision à cristaux liquides ou bien la projection vidéo sur grand écran. Dans ce type de projecteur vidéo actuellement disponible dans le commerce, à la place de la diapositive d'un projecteur classique est montée la valve à cristaux liquides SLM. L'image générée par voie vidéo et provenant d'une caméra, d'un magnétoscope ou d'une carte mémoire d'image d'un ordinateur, est projetée sur un écran de grande dimension. La principale des retombées de cette technologie dans le domaine scientifique est son utilisation dans les systèmes de reconnaissance de forme par corrélation optique. Ces techniques de corrélation en temps réel sont actuellement en développement pour des applications militaires pour la localisation de cibles en vision embarquée: reconnaissance d'avions, de chars, de bâtiments, etc, mais aussi pour des applications civiles de localisation de pièces en vision robotique. Les moyens de calcul 5 sont constitués par un micro-ordinateur comportant une carte mémoire image pour le contrôle, la génération de raie à projeter sur le plan de projection PR lié à l'objet, qui peut être la forme numérisée. La génération d'une raie de lumière blanche de transparence maximale sur un fond noir est réalisée par un programme sur la carte image numérique du micro-ordinateur 5 puis est affichée sur la valve à cristaux liquides 6. Le dispositif optique composé des éléments 7, 8 et 9 projette l'image de cette "diapositive électronique" sur l'objet à analyser 3. Il produit ainsi une raie de lumière blanche R sur cet objet 3. Ce mode de génération de la raie lumineuse ou frange à projeter sur l'objet à analyser 3 offre ainsi plusieurs possibilités pour modifier en temps réel l'orientation, la forme et les dimensions géométriques de cette frange. Cette flexibilité est d'un apport important pour l'adaptation en fonction de la résolution spatiale recherchée sur l'objet. Pour réaliser un balayage de la surface de l'objet à analyser 3, il est nécessaire de passer par un déplacement pas-à-pas de la raie sur l'objet afin de couvrir progressivement cette surface. Ce déplacement ou translation de la raie est réalisé numériquement au moyen d'un algorithme du micro-ordinateur 5 permettant le renouvellement de l'image numérique source de l'image vidéo affichée sur la valve à cristaux liquide 6 comme cela est représenté en figure 5. Cet algorithme permet d'effectuer des translations élémentaires dx suivant l'abscisse du plan de référence xOy lié à la valve à cristaux liquides et parallèlement à l'axe des ordonnées y de ce plan pour chaque frange par intervalles de temps dt synchronisés avec la fréquence d'acquisition de l'image par la caméra à détecteur CCD du dispositif d'acquisition ou de reprise 4. Ainsi, à chacune des positions 1, 2, 3... n de la raie sur la valve à cristaux liquides 6 correspond une nouvelle image R projetée sur l'objet à analyser 3. La valeur du pas ou déplacement élémentaire dx des raies lumineuses détermine sur l'objet 3 le pas de résolution dx', dans le plan de référence PR ou x'0y' liée à l'objet 3 et parallèle au plan x0y, égal à dx m, où m est le grandissement de l'optique du dispositif de projection 1. On comprend ainsi que selon le dispositif de projection séquentielle de raies lumineuses générés sur la valve 6 à partir du micro-ordinateur 5, on remplace le mouvement mécanique du miroir tournant ou celui du mouvement de translation micrométrique mentionné précédemment par un renouvellement d'images vidéo portant la translation de la raie générée. Les différents paramètres de balayage tels que la fréquence d'acquisition de l'image par la caméra CCD ou l'intervalle dt, le pas dx ou le recouvrement par passages multiples pour accroître la résolution sont contrôlés par un logiciel spécifique. Pour chacune des positions de la raie de lumière dans la valve à cristaux liquides 6, la caméra du dispositif 4 saisit l'image codée du relief de l'objet 3 qui est stationnaire ainsi que l'image de cette raie projetée qui lui est superposée. L'ensemble de ces images compose ainsi une image codée optiquement. Avant toute étape de traitement pour le calcul de triangulation applicable sur cette raie, un prétraitement est nécessaire pour éliminer l'image de l'objet 3. Ce prétraitement est réalisé par une méthode connue d'extraction du fond stationnaire. Selon cette méthode, une image de l'objet 3 sans projection de raie ou frange est mémorisée dans une mémoire du micro-ordinateur 5. Cette image sert de référence. Lorsqu'une image suivante comportant une raie ou frange est enregistrée, un décodage par soustraction est effectué. Cette procédure est réalisée par soustraction point par point sur les niveaux de gris homologues des images.Pour chaque point P (xi, y), on calcule son niveau de gris de codage par: Pdec (xi, yi) = Pcod (xi, Yi) - Pref (xi, yi) avec Pdec : l'image décodée Pcod: l'image codée enregistrée Pref: l'image de référence. L'image décodée Pdec est constituée en fin de traitement d'un fond noir et de la raie d'intensité maximale. Le calcul de triangulation est effectué suivant les points composant la ligne moyenne (squelette) de cette raie déformée par l'objet à analyser 3. Les coordonnées des points Pi (xi, yi, zi) d'une raie sont déterminées dans le repère (x', y', z') lié à l'objet 3 à partir des paramètres du système optique d'imagerie et de la triangulation comme cela va être expliqué en référence aux figures 1 et 7. Un rayon laser oblique issu d'une source laser 1 rencontre un plan de référence Pref en un point Po (voir figure 1). Le dispositif d'acquisition ou de reprise dont l'axe optique est disposé perpendiculairement au plan de référence donne une image Zo sur le détecteur D de la caméra formant le dispositif d'acquisition. Si le rayon laser initial rencontre un objet 3 ou 3' en P1 ou en P2, l'image de ce point sera en Z1 ou Z2 sur le détecteur D. Connaissant la position dx de Z1 et Z2 et le grandissement m de l'optique de reprise, on calcule l'abscisse dx' du point d'impact , on calcule ensuite le relief dz' connaissant l'angle &commat; du rayon incident par rapport à l'axe de l'optique de reprise. On en déduit alors: dx dz'= Cotez m Pour un autre rayon incident, on change de plan de référence et on prend comme plan de référence provisoire celui qui passe par l'intersection du rayon incident et l'axe de l'optique de reprise. Quand les calculs sont effectués, on revient au plan de référence initial. On peut ainsi en décalant séquentiellement le rayon incident déterminer les coordonées dx' et dz' de l'objet. Si on remplace le rayon incident par une raie perpendiculaire à l'axe x on peut, pour chacun des points de la raie image, déterminer les coordonnées dx' et dy connaissant le grandissement de l'optique et la coordonnée dz' par la connaissance de l'angle d'incidence. De ce qui précède, les coordonnées des points Pi (xi, yi, Zi) d'une raie déterminée dans le repère (x', y', z') lié à l'objet sont: dx' = dx/m dy'=dy/m dz' = dz/m (Cotg (3) où m est le grandissement de l'optique et e l'angle entre l'axe optique de projection et l'axe de reprise par la caméra CCD du dispositif d'acquisition 4. Le calcul successif des points du relief avec des raies translatées induit donc un décalage du plan de référence. Cette variation de la référence, qui est une fonction de l'angle f3i i suivant l'ordre de la raie ou frange considérée, correspond à sa distance à l'axe optique de projection. Ces décalages sont stationnaires et sont résolus par calibration de l'instrument. La détermination de l'ensemble des points individuels des raies successives projetées sur l'objet 3 donne en fin de traitement un fichier des coordonnées tridimentionnelles P (x, y, z) du relief numérisé par rapport à un plan de référence (plan du détecteur CCD de la caméra) parallèle au plan contenant les axes x' et y'. Le dispositif conforme à l'invention prévoit avantageusement comme cela ressort de la description qui en a été faite ci-dessus un seul dispositif électronique qui remplace simultanément les deux parties que sont la formation d'une raie lumineuse et le balayage mécanique décrits en référence aux dispositifs antérieurs. REVENDICATIONS 1. Dispositif opto-électronique de numérisation de formes tridimensionnelles d'un objet (3), du type comprenant des moyens de projection (1) sur l'objet (3) de raies lumineuses, des moyens d'acquisition ou de reprise (4) des raies lumineuses projetées sur l'objet (3) et des moyens de calcul (5) des coordonnées (xi, yi, zi) des points de chaque raie lumineuse, caractérisé en ce que les moyens de projection (1) comprennent un modulateur spatial de lumière ou valve à cristaux liquides (6); une source de lumière (7), un premier objectif (8) d'éclairement uniforme de la valve à cristaux liquides (6); un second objectif (9) de projection de l'image de la valve (6), comprenant une raie lumineuse, sur l'objet à analyser (3); et des moyens commandant la valve à cristaux liquides (6) de manière à générer séquentiellement des raies de lumière blanche projetées sur l'objet à analyser (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande précités de la valve à cristaux liquides (6) comprennent un programme de micro-ordinateur formant les moyens de calcul (5) précités apte à générer à partir d'une carte mémoire d'image du micro-ordinateur (5) une raie de lumière blanche de transparence maximale sur un fond noir et à l'afficher sur la valve à cristaux liquides (6) et un algorithme du micro-ordinateur (5) apte à renouveler l'image numérique source de l'image vidéo affichée sur la valve à cristaux liquides (6) en effectuant des déplacements élémentaires de la raie de lumière blanche par intervalles de temps synchronisés avec la fréquence d'acquisition de l'image projetée par les moyens d'acquisition constitués de préférence par une caméra vidéo à détecteur CCD. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de projection (1) précités projettent les raies de lumière blanche sur l'objet à analyser (3) de façon parallèle à l'axe des ordonnées (y') du plan de référence lié à l'objet (3) et sont déplacées séquentiellement sur l'axe des abscisses (x') de ce plan avec un angle d'incidence (9 ) entre l'axe de projection et l'axe d'acquisition ou de reprise par les moyens d'acquisition (4), qui est variable. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les coordonnées (dx', dy') des raies de lumière blanche dans le plan de référence lié à l'objet (3) sont déterminées par les moyens de calcul précités à partir de la connaissance de la valeur du grandissement optique m et la coordonnée (dz') correspondant au relief est calculée par les moyens de calcul pour chaque raie de lumière blanche à partir de l'angle d'incidence (ss) selon la formule: dx dz' =Cotg m où m est le grandissement optique et dx est le déplacement élémentaire de la raie sur l'axe des abscisses dans le plan de la valve à cristaux liquides (6). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de calcul précités calculent les coordonnées pour chaque raie de lumière blanche par rapport à un plan de référence provisoire passant par l'intersection de l'axe de projection avec l'axe optique des moyens d'acquisition et rapportent ensuite ces calculs à un plan de référence unique. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition précités (4) saisissent, pour chacune des positions d'une raie dans la valve à cristaux liquides (6), l'image stationnaire de l'objet à analyser (3) ainsi que l'image de la raie projetée qui lui est superposée et en ce que le micro-ordinateur (5) précité comprend une mémoire stockant l'image seule de l'objet à analyser (3) et des moyens pour éliminer l'image de cet objet par extraction du fond stationnaire afin d'isoler l'image de chaque raie projetée.