Brevet FR2702056A1 — publié le 19940902

APPAREIL ET OBJECTIF DE PRISE DE VUES EN STEREOVISION AXIALE La présente invention concerne un appareil et un objectif de prise de vues en stéréovision axiale. Plus particulièrement, un tel appareil est destiné à permettre la détermination d'une scène en trois dimensions en effectuant, au moins, une double prise de vue. Il est déjà connu des dispositifs utilisant le principe de la stéréovision latérale pour déterminer une scène en trois dimensions. Un tel principe nécessite de prendre différentes vues d'une même scène objet, à partir d'un même plan perpendiculaire à l'axe de visée, mais avec déplacement latéral de l'axe de visée. En stéréovision latérale, les champs couverts par les deux prises de vues ne se recouvrent que partiellement. De ce fait, seule la partie commune est exploitable et sa surface varie selon la distance à la scène objet observée, le déplacement latéral et l'angle de champ de l'objectif. En outre, selon la théorie en stéréovision latérale, l'erreur de profondeur est constante pour un point quelconque d'un plan objet déterminé, perpendiculaire aux axes optiques. La présente invention concerne quant à elle, un appareil utilisant le principe de la stéréovision axiale. Dans ce cas, les différentes vues sont situées sur le même axe de visée et reproduisent la scène objet sous un angle de vision unique. De plus, en stéréovision axiale, un des champs inclue totalement l'autre, quelle que soit la distance de la scène objet observée. La stéréovision axiale permet par superposition des images et en mettant en coïncidence leurs axes optiques, d'obtenir que les points homologues d'une image et de l'autre soient toujours situés sur une demi-droite issue du point principal (intersection de l'axe optique avec le plan contenant les images). L'erreur de profondeur augmente à mesure que la distance du point par rapport au point principal diminue. La stéréovision axiale permet ainsi théoriquement une évaluation approximative d'une scène objet, quant à la profondeur de cette scène, mais un appariement sans ambiguïté des points homologues et donc leur localisation angulaire exacte. Pour utiliser le principe de la stéréovision axiale, il est nécessaire de prendre deux vues (au moins) d'une même scène objet, et ceci à deux distances distinctes. Il faut, en outre, que ces deux prises de vues soient faites selon le même axe optique. Une première solution consiste donc à déplacer un appareil de prise de vues le long de l'axe optique de son objectif. Mais, d'une part les deux prises de vues ne sont pas simultanées (la scène objet a le temps d'évoluer entre ces deux prises de vues !), et d'autre part, le déplacement physique de la caméra le long de son axe optique est une opération très délicate sujette à des désalignements. Il est alors difficile d'obtenir des axes optiques confondus pour les deux vues. Chercher à appliquer le principe de la stéréovision axiale, par déplacement de l'appareil le long de son propre axe optique, n'est envisageable qu'en exercice de laboratoire, mais pas sur le plan pratique. Une autre solution consisterait à ne pas déplacer l'appareil de prise de vues, mais à le munir d'un "zoom". On obtient ainsi un déplacement virtuel du centre optique le long de l'axe optique de l'objectif. Cependant, ce déplacement s'accompagne d'un changement de focale de l'objectif et, d'autre part, les prises de vues sont toujours décalées dans le temps. De ce fait, une évolution de la scène objet est toujours possible entre les deux prises de vues, ce qui peut provoquer une détermination erronée de la profondeur. La présente invention a pour objet de pallier l'ensemble de ces inconvénients. Notamment, on cherche à créer un appareil et un objectif permettant d'effectuer une prise de vue selon le principe de la stéréovision axiale ne nécessitant pas de déplacement physique de l'objectif le long de son axe optique et permettant deux prises de vues simultanées ou quasi-simultanees, ceci, de manière totalement statique. A cet effet, la présente invention concerne un appareil de prise de vues en stéréovision axiale, caractérisé en ce qu'il comporte - un objectif comprenant une unité optique adaptée pour recevoir un faisceau lumineux en provenance d'une scène objet et pour créer deux chemins optiques de longueurs différentes pour ce faisceau lumineux, ladite unité optique étant telle que dans un plan d'entrée et un plan de sortie de cette unité, les deux chemins optiques présentent des axes optiques confondus, et tin ensemble de lentilles adapté pour focaliser le faisceau lumineux issu des deux chemins optiques, sur un moyen de prise de vues, et - un moyen de prise de vues adapté pour recevoir simultanément l'image de la scène objet en provenance de chacun des chemins optiques. Grâce à l'unité optique, deux chemins de longueurs différentes sont créés selon un axe optique unique. De ce fait, il y a création de deux images différentes prises à deux distances différentes pour une même scène objet, de façon statique. De manière avantageuse, l'unité optique est constituée d'une paire de cubes séparateurs associée à une paire de prismes à réflexion totale ou de miroirs adaptés pour creer, pour la lumière issue d'une même scène objet, deux trajets de longueurs différentes, mais présentant des axes optiques confondus en entrée et en sortie de l'unité optique. Avantageusement, les axes optiques de chacun des trajets optiques créés sont situés en limite du champ de prise de vues. Une telle disposition permet de réduire la surface entachée d'erreurs située autour de l'axe optique (inhérent à la stéréovision axiale), puisque cet axe optique se situe sur un des bords de l'image. La présente invention concerne également un objectif à placer devant tout appareil de prise de vues classique pour lui permettre d'effectuer une prise de vues en stéréovision axiale. Cet objectif comporte l'unité optique précédemment citée et un ensemble de lentilles. D'autres objets, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'information, en regard des figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une vue schématique montrant l'appareil de prise de vues selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique exposant le principe de la stéréovision axiale, et - la figure 3 est une vue schématique représentant l'image créée par la superposition des faisceaux optiques issus de l'unité optique selon l'invention. Selon la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 3, l'appareil 10 de prise de vues selon l'invention comporte - une unité optique 11 et un ensemble de lentilles 12 constituant un objectif 13, - un moyen de prise de vues 14, dans le cas représenté une caméra vidéo, munie d'un moyen de réception 15 d'une image d'une scène objet S, et - un moyen 16 de détermination de l'éloignement de l'appareil par rapport à chaque point de la scène objet S. Il est à noter que la scène objet S est une scène en trois dimensions. Sur les dessins cette scène est arbitrairement figurée sous la forme d'un arbre. Il est à noter que (figure 2), selon le principe de la stéréovision axiale, si l'on a un objet d'une hauteur H et une image h1 de cet objet au travers d'un objectif de focale f, l r éloignement L de cet objet par rapport au plan focal P1 de l'objectif est donné par la formule suivante f.H L = h1 Si l'on a deux images h1 et h2 d'un même objet H prises avec un objectif de même focale f à deux distances distinctes de l'objet H et selon le même axe optique (soit une première distance L et une seconde distance L + D (figure 2)), on aura h2 L=D h1 - h2 D'où il ressort que l'éloignement L de l'objectif dans sa première position par rapport à l'objet H est simplement dépendant de la distance D séparant les positions P1 et P2 du plan focal avant de l'objectif, multiplié par une fonction des hauteurs d'images h2 et h1, et ne dépend plus de la focale f. Les mesures de h2 et h1 sont faites à partir des images et la valeur D est connue. Comme le montre la figure 2, le but de la stéréovision axiale est de créer deux images h1 et h2 de tous les points H d'une scène objet S. Ces deux images doivent être prises par le même objectif, de focale f, mais déplacées de la distance D. Dans ce cas, par la simple mesure de h1 et h2 et la connaissance de D, il est possible de déterminer la distance L, c'est-à-dire l'éloignement entre l'appareil de prise de vues et le point H considéré de la scène objet S. Par traitement des images obtenues, il est alors possible de déterminer la scène S dans toutes ses dimensions. Comme le montre la figure 1, l'unité optique 11 se compose de deux cubes séparateurs à 50 % de transmission et 50 % de réflexion, 20 et 21, placés sur le trajet du faisceau optique A issu de la scène objet S, et de deux prismes à réflexion totale 22 et 23. Le faisceau lumineux incident A issu de l'objet H traverse pour moitié le cube 20 et se dirige vers le cube 21 qu'il traverse également pour moitié. Un premier chemin optique C1 se créé donc entre les deux cubes distants de a dans l'exemple représenté. L'autre moitié du faisceau incident A (au niveau du cube 20) est envoyée vers le prisme ou miroir 22, puis vers le prisme ou miroir 23 avant d'être renvoyée vers le cube 21 qui la dirige vers l'ensemble de lentilles 12. Un second chemin optique C2 est ainsi créé, de longueur a + 2t dans l'exemple représenté à la figure 1.En variante, l'écartement des prismes ou miroirs 22 et 23 peut être différent de a. De ce fait, le faisceau incident A issu de S parcourt dans l'unité optique 11 pour une part une distance a, pour l'autre part, une distance a + 2t (figure 1). La différence de marche entre ces deux faisceaux est donc de 2Z. C'est cette différence de marche 2 qui correspond à la distance D donnée dans la formule précédemment citée. Ainsi, en ajustant l'unité optique 11, il est possible de fixer la distance D entre les deux plans focaux P et P2. La difficulté du réglage de cette unité optique 11 réside dans le fait qu'en entrée et en sortie, les axes optiques O des deux faisceaux ayant parcouru les chemins optiques C1 et C2 doivent être confondus. L'ensemble de lentilles 12 permet de focaliser le faisceau B issu de l'unité optique 11 et contenant les deux faisceaux virtuels vers le moyen de réception 15 de l'appareil de prise de vues. On obtient alors deux images d'une même scène objet S, prises selon le même axe optique, mais à des distances différentes. La première image est appelée image proche, la seconde est appelée image lointaine. Soit M un point de la scène objet S, alors m1 est le point de l'image proche correspondant à ce point M, et m2 est le point homologue de l'image lointaine. Selon la théorie (figure 3), si les images proche et lointaine sont superposées, tout en confondant leur centre optique, il existe une droite partant du centre optique C et joignant les points m1 et m2. Ainsi, lorsqu'un point m1 est déterminé, on sait que son homologue m2 se trouve sur le segment de droite Cm1. Le moyen 16 de détermination de l'éloignement de l'appareil par rapport à chaque point de la scène objet S comporte donc - une unité 17 de traitement de l'image formée sur le moyen de prise de vues, adaptée pour déterminer des coordonnées (x, y) de paires de points homologues (m1 ; m2) appartenant à chacune des images. Pour faciliter la localisation des points de chaque image, l'unité optique 11 comporte des moyens de dissociation des images, dans le cas représenté, deux obturateurs 30 et 31, placés sur le trajet de chaque faisceau lumineux C1 et C2 issu de la scène S. En refermant l'obturateur 30, seul le faisceau lumineux créant l'image lointaine est reçu sur le moyen de réception 15. En refermant l'autre obturateur 31, seul l'autre faisceau créant l'image proche, atteint le moyen de réception 15. De ce fait, en commandant alternativement la fermeture de l'un ou de l'autre obturateur, l'unité de traitement 17 détermine aisément l'image reçue. Une fois, les coordonnées (x1, Y1 ; X2, Y2) de chacun des points homologues (m1, m2) déterminées, une unité de calcul 18 est adaptée pour calculer la distance entre chaque point homologue (m1, m2) et le point principal C pour en déduire les grandeurs h1 et h2. En effet, h1 est la distance séparant C et m1, et h2 est la distance séparant C et m2. D étant connu, l'unité de calcul en utilisant la formule précédemment citée calcule l'éloignement L entre chaque point de la scene S et le plan focal P1 de l'appareil de prise de vues, de manière à obtenir les coordonnées tridimensionnelles de chaque point de la scène S. Cette unité de calcul 18 permet alors de déterminer complètement la scène objet S, avec indication pour chacun des points de cette scène de -son éloignement par rapport à l'appareil de prise de vues. La présente invention concerne également un objectif 13, comprenant l'unité optique il et l'ensemble de lentilles 12. Cet objectif est adaptable sur tout moyen de prise de vues existant, et permet de réaliser des prises de vues en stéréovision axiale. Le traitement des images obtenues est alors effectué par un ordinateur effectuant les mêmes calculs que ceux réalisés par le moyen de détermination 16. Il est à noter que la fonction de l'unité optique 11 est de créer deux chemins optiques C1 et C2 de longueur différente et à axes optiques confondus en entrée et en sortie de l'unité optique, à partir d'un faisceau lumineux unique. En variante, de tels chemins optiques peuvent être créés en faisant passer le faisceau incident A, non pas à l'intérieur de cubes ou de prismes mais au travers d'éléments dont on peut modifier l'indice. On notera encore, que les moyens de dissociation peuvent être constitués de filtres colorés primaires associés à une caméra couleur permettant de récupérer les images sur deux plans de couleurs distincts assurant une réelle simultanéité des deux images. Cependant, dans ce cas, il est préférable que la scène objet soit peu colorée. En variante, on peut utiliser des polariseurs croisés sur chacun des deux chemins optiques C1 et C2 associés à un analyseur de polarisation adapté. En variante, il est possible de remplacer les cubes par des miroirs pivotants du type de ceux utilisés dans les appareils photographiques dits à visée reflex. Dans ce cas, les vibrations induites par ces miroirs pivotants, escamotables ou rotatifs sont soigneusement amorties par des dispositifs connus en soi. On notera que de manière avantageuse, on place l'axe optique O en limite du champ de prise de vues. On limite ainsi la zone d'erreur de profondeur, entourant le point principal C. Pour placer l'axe optique O en bordure du champ, il suffit de déplacer l'unité optique 11 (figure 2) de telle sorte que l'axe optique O affleure l'un des côtés des cubes 20 et 21. Le moyen de prise de vues 14 est alors déplacé de manière correspondante, pour recevoir en totalité le faisceau B sortant de l'unité optique 11 décalée par rapport à l'axe optique O. L'appareil et l'objectif selon l'invention ont des domaines d'application très variés. Par exemple, ils peuvent constituer un dispositif de vision pour un robot, apte à indiquer l'éloignement des objets entourant celui-ci. Ainsi, l'appareil selon l'invention est plus particulièrement destiné au guidage de robots mobiles et aux approches automatiques d'objets (saisie de pièces, assemblage, ...). Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations ci-dessus décrits et englobe toute variante à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1/ - Appareil de prise de vues en stéréovision axiale, caractérisé en ce qu'il comporte * un objectif (13) comprenant une unité optique (11) adaptée pour recevoir un faisceau lumineux (A) en provenance d'une scène objet (S) et pour créer deux chemins optiques (C1, C2) de longueurs différentes pour ce faisceau lumineux, ladite unité optique étant telle que dans un plan d'entrée et un plan de sortie de cette unité, les deux chemins optiques (C1) et (C2) présentent des axes optiques (O) confondus, et un ensemble de lentilles (12) adaptées pour focaliser le faisceau lumineux (B) issu des deux chemins optiques (C1) et (C2) sur un moyen de prise de vues (14), * un moyen de prise de vues (14) adapté pour recevoir simultanément l'image de la scène objet en provenance de chacun des chemins optiques (C1, C2). 2/ - Appareil de prise de vues selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité optique (11) comporte deux cubes séparateurs (20, 21) et deux prismes à réflexion totale ou miroirs (22, 23) adaptés pour créer pour un faisceau lumineux incident A pénétrant dans l'unité optique, un premier chemin optique (C1) et un second chemin optique (C2) de longueur différente et d'axes optiques confondus en entrée et en sortie de l'unité. 3/ - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier chemin optique (C1) traverse uniquement les cubes séparateurs (20, 21) et le second chemin optique C2 traverse partiellement les cubes séparateurs et en totalité les prismes ou miroirs (22, 23). 4/ - Appareil selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la différence de longueur (2f) entre les chemins optiques (C1) et (C2) est égale au double de la distance séparant les cubes séparateurs (20, 21) des prismes ou miroirs (22, 23). 5/ - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un moyen de dissociation du faisceau lumineux ayant parcouru les chemins optiques C1 et C2. 6/ - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de dissociation est constitué de deux obturateurs (30, 31) placés chacun sur un chemin optique (C1, C2). 7/ - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de dissociation est constitué de deux filtres colorés, chacun placé sur un des chemins optiques (C1, C2) et adapté pour ne laisser passer dans les faisceaux lumineux qu'une couleur donnée, différente pour chacun d'eux. 8/ - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité optique (11) est placée dans le faisceau lumineux incident A de telle sorte que l'axe optique de ce faisceau soit placé en limite des cubes séparateurs (20, 21), le moyen de prise de vues (14) est alors déplacé de manière correspondante, pour recevoir en totalité le faisceau B sortant de l'unité optique (11). 9/ - Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre * un moyen de détermination (16) de l'éloignement de l'appareil (10) par rapport à chaque point de la scène objet (S), ce moyen comportant une unité de traitement (17) de l'image formée sur le moyen de prise de vues (14), adaptée pour déterminer des coordonnées (x1, y1 ; x2, y2) de paires de points homologues (m1, m2), une unité de calcul (18) adaptée pour calculer la distance (h1, h2) entre chaque point homologue (m1, m2) et un point principal (C) et pour en déduire l'éloignement (L) entre l'appareil (10) et le point de la scène objet (M) à l'origine de la paire de points homologues, et ainsi déterminer la scène objet (S) en trois dimensions. 10/ - Objectif de prise de vues en stéréovision axiale, adapté pour être mis en place sur un moyen de prise de vues, caractérisé en ce qu'il comporte une unité optique (11) adaptée pour recevoir un faisceau lumineux (A) en provenance d'une scène objet (S) et pour créer deux chemins optiques (C1, C2) de longueurs différentes pour ce faisceau lumineux, ladite unité étant telle que dans un plan d'entrée et un plan de sortie de cette unité, les deux chemins optiques (C1) et (C2) présentent des axes (O) optiques confondus, et un ensemble de lentilles (12) adaptées pour focaliser le faisceau lumineux (B) issu des deux chemins optiques (C1) et (C2). 11/ - Objectif de prise de vues selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'unité optique (11) comporte deux cubes séparateurs (20, 21) et deux prismes à réflexion totale ou miroirs (22, 23) adaptés pour créer pour un faisceau lumineux incident A pénétrant dans l'unité optique, un premier chemin optique (C1) et un second chemin optique (C2) de longueur différente et d'axes optiques confondus.