Brevet FR2807163A1 — publié le 20011005

Procédé et dispositif de contrôle stéréoscopique 3D d'objets utilisables pour la détermination du taux de collet de betteraves et pour l'analyse de leur forme La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif contrôle stéréoscopique 3D d'objets qui sont utilisables en particulier pour l'analyse de la forme de betteraves ou objets similaires, afin notamment déterminer le taux de collet d'une récolte de betteraves. Avant le traitement de betteraves pour l'extraction de sucre, analyse, au niveau de centres de réception, des lots de récolte pour déterminer, après lavage des betteraves, le taux de collet ; à cet effet, effectue habituellement, sur un lot de plusieurs tonnes, un prélèvement de quelques kilos de betteraves dont on élimine les feuilles et la terre et on sépare le collet de la racine qui est la partie utile ; ce prélèvement et cette séparation, qui sont effectués manuellement, permettent par pesée de la betterave propre et entière (de poids noté P1) puis de la betterave décolletée (de poids noté P2), de déterminer ce taux par la formule (P1- P2) / Etant donné que ce taux entre dans la détermination de la rémunération du récoltant, on effectue un prélèvement sur chaque camion et on effectue le tri et le décolletage manuellement. objectif de l'invention est de proposer un procédé et un dispositif permettant d'assurer cette mesure automatiquement, avec une précision et une répétabilité suffisantes, à partir de caméras, sans effectuer l'opération de décolletage des betteraves. cet effet, et selon un premier aspect de l'invention, on dispose un échantillon comportant une ou plusieurs betteraves sensiblement en une seule couche ; on éclaire la couche de betteraves et on acquiert au moins deux images d'une partie au moins de la face éclairée de ladite couche par au moins deux caméras disposées de sorte que leurs axes optiques respectifs forment un angle aigu, dont la valeur est généralement située dans plage allant de 1 à 85 degrés et de préférence de l'ordre de 5 à 45 degrés - à partir desdites deux images (à deux dimensions (2D), on détermine par calcul la forme à trois dimensions (3D) de la face éclairée de l'échantillon ; analyse de cette forme 3D, on isole plusieurs betteraves (dites élémentaires) pour chaque échantillon, puis on détermine par calcul, pour chacune de ces betteraves, la forme 3D de la partie éclairée de leur surface et leur profil longitudinal moyen, puis on détermine un taux de collet à partir de caractéristiques géométriques du profil de la betterave (sommet, point de rebroussement...). Grâce au fait l'on étale l'échantillon sur un support de manière à éviter l'amoncellement des betteraves, chaque caméra peut capter l'image de toutes les betteraves et de tous les morceaux de betteraves, ce qui permet d'analyser l'integralité de l'échantillon. L'éclairage de l'echantillon permet aux caméras de recevoir un flux lumineux plus important et permet par conséquent d'obtenir des images de bonne qualité, en particulier de contraste amélioré et un aspect texturant adapté à la corrélation d'images par rapport à une image obtenue en éclairage naturel. L'éclairage et l'acquisition d'image sont de préférence effectués essentiellement dans domaine de la lumière visible ; le flux lumineux d'éclairage est de preférence dirigé vers l'échantillon selon un axe peu (ou pas) incliné par rapport à la normale à la surface du support - généralement horizontal - recevant l'échantillon ; ceci permet de réduire les ombres portées ; l'axe de visée de chacune des caméras est également peu incliné par rapport à cette normale, et est de préférence incliné de 5 à 20 degrés par rapport à celle-ci. L'éclairage est préférence effectué par une ou plusieurs source(-) de lumière non cohérente, et de façon à assurer un éclairage non uniforme de l'échantillon avec projection de lumière afin d'obtenir un aspect texturant sur les betteraves (de façon à provoquer un éclairement non uniforme de chaque betterave, ce qui se traduit sur l'image de chaque betterave par la présence d'une pluralité de zones de luminosité - et de préférence de forme taille - différente(-)). Un tel mode d'éclairage est de préférence obtenu en disposant, sur le trajet de la lumière émise par la source, un média filtrant et/ou diffusant, sensiblement translucide, qui comporte une pluralité de zones de transmissibilité optique différente, ce qui permet de former sur l'image de chaque betterave des tâches ou zones d'ombre également sensiblement aléatoires en forme et en taille. La présence de zones de luminosités différentes facilite les calculs de coïncidence entre images délivrées par les deux caméras qui permettent d'apparier les points d'une image par rapport à l'autre ; cette reconnaissance zones (ou points) d'une image (d'une première caméra) correspondant aux zones (ou points) identiques de l'échantillon dans une image (d'une deuxieme caméra) permet de déterminer, par calcul en fonction notamment de l'inclinaison relative entre les axes optiques de visée des deux cameras, la distance de chaque zone (ou point) par rapport aux caméras, ce qui permet par conséquent de déterminer une forme 3D de l'ensemble des betteraves de l'échantillon, c'est-à-dire une image à trois dimensions de la face éclairée de l'échantillon. La méthode selon l'invention permet d'obtenir une incertitude faible concernant le résultat du calcul de distance, ainsi qu'une très bonne corrélation entre images 2D ; il en résulte au global la détermination d'une forme enveloppe 3D représentant fidèlement le relief de la face supérieure (éclairée) la couche de betterave, ce qui permet par la suite de déterminer avec une précision suffisante la forme enveloppe d'un nombre important des betteraves formant l'échantillon, puis la détermination de caractéristiques telles que le taux de collet à partir de ces formes de betteraves individualisées. Selon un autre aspect de l'invention, on acquiert simultanément, par synchronisation deux (ou trois) caméras progressives, au moins deux images 2D de l'échantillon ; ceci permet de disposer d'images synchronisées, nécessaires lorsque l'échantillon est en mouvement, en particulier lorsque l'échantillon est disposé sur un convoyeur à bande ; ceci permet d'éviter l'arrêt du convoyeur aux seules fins de la prise de vue ; à défaut de synchronisation de l'acquisition des images, et d'utilisation de caméras progressives, on obtiendrait des images déformées du fait du mouvement de l'échantillon, qui ne permettraient pas l'appariement ultérieur des images 2D pour la détermination des formes enveloppes 3D. Cette méthode est donc adaptée à la mesure 3D d'objet au défilement. Dans un mode préféré de réalisation où on utilise trois caméras, les images numériques 2D sont traitées par paires, pour l'obtention de trois formes 3D qui font ensuite l'objet d'un calcul d'une forme 3D moyenne. L'utilisation du procédé d'enregistrement stéréoscopique selon l'invention permet de déterminer une forme 3D d'échantillon fidèle à la réalité, en particulier avec l'utilisation d'un éclairage hétérogène (texturant) ; la fidélité et la précision de la forme calculée résultent en particulier de la forte corrélation des images 2D captées par les caméras ; la forme et les images obtenues peuvent être traitées et enregistrées rapidement (permettant une application "temps réel") en utilisant des moyens simples de traitement électronique de données tels ordinateur "personnel" ; le dispositif mis en oeuvre, qui est essentiellement constitué d'un ordinateur raccordé aux caméras et commandé par logiciels de calcul et de traitement de données, est simple et peu onéreux. Selon un autre aspect de l'invention, la détermination caractéristiques géométriques de betteraves et du taux de collet à partir de la forme 3D de la face éclairée de l'échantillon, comporte successivement les étapes suivantes - on identifie les betteraves par analyse de forme, en séparant unes des autres les portions convexes de ladite forme 3D correspondant chacune à la face supérieure éclairée d'une betterave individualisée, morceau de celle-ci ou d'un autre objet (pierre) ; - puis pour chacune desdites betteraves (b1) - on détermine la projection (dans le plan du support l'échantillon) de l'axe de symétrie (de révolution) de la betterave, (b2) - on détermine la position dans l'espace dudit axe de symétrie, (c1) - on calcule, en fonction des points 3D de chaque betterave élémentaire et de la position de l'axe de symétrie, le profil longitudinal moyen la betterave, (c2) - on calcule une dérivée première du profil pour déterminer position long de l'axe de symétrie) du sommet du profil, (c3) on calcule une dérivée seconde du profil pour déterminer position long de l'axe de symétrie) d'un point d'inflexion du profil correspondant sensiblement à la frontière entre le pétiole et le collet de la betterave, (c4) - on détermine un point (dit point de décolletage) du profil situé entre le sommet et le point d'inflexion, qui est voisin du point d'abscisse médiane entre ces deux points, (d) - on calcule le volume des parties de la bosse situées de part et d'autre du point (de la section transversale) de décolletage et on en déduit le taux de collet. La méthode de calcul ci-dessus est particulièrement adaptée au traitement données de forme d'un échantillon constitué plusieurs objets épousant sensiblement une forme de révolution, comme 'est le cas des betteraves à sucre. Les opérations de calcul ci-dessus, notamment de calcul sommet et de point d'inflexion du profil longitudinal, permettent d'éliminer des betteraves 'lémentaires présentant une forme 3D qui ne correspondent pas à des betteraves sensiblement entières et individualisées, en particulier des petits morceaux de betterave, des pierres ou des amas plusieurs betteraves. Selon autre aspect, l'invention consiste en un dispositif (ou système) contrôle d'un procédé de traitement d'objets en vrac, en particulier betteraves, qui comporte des moyens d'acquisition d'images stéréoscopiques d'un échantillon comportant plusieurs objets, et des moyens électroniques de traitement de données coopérant avec les moyens d'acquisition pour analyser la forme des objets. Le dispositif comporte de préférence lesdites caméras progressives, et lesdits moyens d'éclairage d'un échantillon, une structure maintien des moyens d'éclairage et des caméras au-dessus d'un support (tel qu'un convoyeur) recevant l'échantillon, un ordinateur raccordé auxdites caméras et fonctionnant sous la commande d'un logiciel comportant moyens pour effectuer les opérations décrites ci-avant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre schématiquement en perspective un dispositif contrôle stéréoscopique selon l'invention. La figure 2 illustre schématiquement en perspective une forme résultant du traitement de trois images 2D prises par trois caméras d'observation d'un échantillon de betteraves disposées sur un support plan en une couche. La figure 3 est une vue en plan montrant l'image d'un lot betteraves individualisées et dont la projection (dans le plan) de l'axe symétrie a été déterminée. La figure 4 illustre en vue perspective schématique le maillage de face éclairee d'une betterave isolée. La figure 5 illustre en coupe transversale longitudinale une betterave, dont sa face inférieure cachée. La figure 6 illustre le profil longitudinal moyen d'une betterave et ses points caractéristiques pour la détermination de la position du collet. Par référence à la figure 1, un échantillon de betteraves 1 a été étalé sur le brin supérieur 2 plan et horizontal d'un convoyeur 3 à bande déplace l'échantillon selon la flèche 4. Deux projecteurs 5, 6 sont fixés à une potence (non représentée) manière à surplomber et à éclairer une zone centrale 7 du brin 2 ; projecteurs 5, 6 sont fixés de sorte que leur axe respectif 8, 9 d'éclairement de la zone 7 soit incliné, par rapport à la verticale 10, d'un angle 11, voisin de degrés. Chaque projecteur est équipé d'un filtre optique 13 pour produire, dans la zone 7 du brin 2, une pluralité de tâches 14 de formes, dimensions et positions variables d'une tâche à une autre, résultant en un éclairement texturé aleatoire. Deux caméras progressives 15, 16 sont fixées à ladite potence manière à être sensibles au flux lumineux 17 réfléchi par les objets situes dans la zone 7, et sont disposées à deux mètres au-dessus du convoyeur les caméras sont fixées de façon à ce que leur axe optique respectif 18, soit incliné, par rapport à la verticale, d'un angle 20, 21 voisin de 7 à 10 degrés, et sorte qu'ils forment ledit angle aigu. Les caméras 15, 16 sont reliées par des moyens 22 transmission de données à un ordinateur 23 fonctionnant sous la commande d'un programme d'exécution des différentes étapes d'analyse et de calcul détaillées ci-avant, et comportant des moyens d'élaboration signaux de commande d'acquisition synchrone des images par les deux caméras. La figure 3 illustre en vue en plan (de dessus) la forme 3D de la figure 2 après certaines opérations d'analyse d'image : la forme 49 de la figure correspond pour partie aux surfaces supérieures des betteraves et autres objets étalés sur le tapis du convoyeur, et pour partie aux portions du tapis qui sont vues par les caméras, n'étant pas cachées par un objet les recouvrant ; ces portions de tapis, qui sont situées ' une distance prédéterminée et connue des caméras, sont facilement identifiables et forment les tâches noires sur la figure 3. partir de la surface 3D de la figure 2 qui est obtenue par des méthodes connues de stéréo-corrélation de deux images 2D acquises par les caméras, et qui comporte une pluralité de "bosses" 25, objets (tâches claires sur la figure 3) touchant les bords 26 sont éliminés pour la suite des calculs ; les zones claires correspondant aux bosses sont alors divisées pour séparer par des segments sinueux tels que 27 deux objets (clairs) 28, 29 contigus ; pour chaque tâche claire isolée réputée correspondre à un objet (betterave, morceau de betterave, pierre) individualisé ou peut alors calculer la position de son axe longitudinal 30 ou axe plus grande dimension en vue de dessus ; afin d'affiner cette étape d'isolement d'objets individuels, on calcule de préférence plusieurs paramètres pour chaque "bosse" afin de déterminer si, pour l'objet présumément individualisé, le paramètre ne s'écarte pas de certaines plages de valeurs prédéterminées pour la catégorie d'objets analysés ; dans le cas particulier des betteraves, on peut notamment calculer différents paramètres morphologiques tels que la surface, la compacité de la tâche, son élongation, son volume, sa symétrie. A l'issue de ces calculs, on peut effectuer un traitement pour chaque bosse la figure 2, telle que celle illustrée figure4, sous forme d'une surface 3D maillée correspondant sensiblement à la demi-surface externe éclairée 31 de la betterave 1 illustrée figure 5 et dont la demi-face (cachée) inférieure est repérée 32. Ce traitement débute par la détermination du profil 33 moyen la betterave d'axe 30 (figures 5 et 6) ; ce profil moyen est calculé à partir de la surface 3D de la figure 4. Ensuite par calcul de dérivées, on détermine l'abscisse 35 respective du sommet 36 et du point d'inflexion 37 du profil, le long de l'axe 30 ; détermine ensuite l'abscisse 39 du produit 38 d'abscisse moyenne desdites abscisses 34, 35, qui peut être considéré comme point du profil correspondant à la section de décolletage ; la portion de surface s'étendant du premier sommet 40 du profil au point 38, entre l'axe 30 et le profil 33, est proportionnelle à la partie de betterave séparée lors du décolletage ; la portion 43 de surface s'étendant du point au deuxième sommet 41 du profil, entre l'axe 30 et le profil 33, est proportionnelle à la partie utile de la betterave ; le rapport de ces surfaces donne une estimation fidèle et précise du taux de collet ; de manière similaire, il est possible de déterminer d'autres caractéristiques géométriques la betterave, en utilisant ce principe de stéréo-corrélation et de modélisation 3D. Bien que le procédé et le système soient décrits ci-avant dans leur application à reconnaissance de forme de betteraves, il peuvent être utilisés du fait de leur simplicité et leur rapidité, au contrôle en continu d'autres procédés et installations de traitement et/ou de fabrication d'objets variés, dans le cadre du concept défini dans les revendications ci- jointes. REVENDICATIONS Procédé de contrôle stéréoscopique d'objets (1), caractérisé en ce que - on dispose les objets en une couche sur un support (2), - on éclaire une zone (7) du support en apportant si nécessaire de la texture à l'objet, - on acquiert deux images de la zone (7) par deux caméras (15, 16) dont axes optiques (18, 19) forment un angle aigu, puis on calcule une forme 3D (49) par corrélation des images obtenues, puis - on extrait de la forme 3D (49) des surfaces (31) d'objets à analyser. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on éclaire les objets par une lumière visible non cohérente et non uniforme et selon un axe (8, peu incliné par rapport à la normale (10) audit support (2). Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on choisit une valeur dudit angle aigu dans une plage allant de 1 à 85 degrés. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on éclaire les objets par un éclairage texturant produisant des tâches de forme et dimensions sensiblement aléatoires. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel on acquiert simultanément au moins deux images d'un échantillon comportant plusieurs objets (1) par synchronisation moins deux caméras progressives (15, 16). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour la détermination de caractéristiques géométriques telles le taux de collet de betteraves (1), dans lequel - on sépare les betteraves élémentaires (25) de ladite forme (49) correspondant chacune à la face supérieure éclairée d'une betterave, d'un morceau de celle-ci ou d'un autre objet (pierre) ; - puis pour chacune desdites bosses (b1) - on détermine la projection de l'axe de symétrie la betterave ou objet, (b2) - on détermine la position dans l'espace dudit axe de symétrie (30), (c1) - on calcule, en fonction des points de la "bosse" considérée et de la position de l'axe de symétrie, le profil (33) longitudinal moyen de la betterave, (c2) - on calcule une dérivée première du profil pour déterminer la position, le long de l'axe de symétrie, du sommet du profil, (c3) - on calcule une dérivée seconde du profil pour déterminer la position, le long de l'axe de symétrie, d'un point d'inflexion profil correspondant sensiblement à la frontière entre le pétiole et le collet de la betterave, (c4) on détermine un point, dit point de décolletage, du profil situé entre le sommet et le point d'inflexion, qui est voisin du point d'abscisse médiane entre ces deux points, (d) - on calcule le volume des parties de la bosse situées part et d'autre du point de décolletage et on en déduit le taux de collet. 7. Dispositif (ou système) de contrôle d'un procédé de traitement d'objets en vrac, en particulier de betteraves (1), qui comporte moyens (15, 16) d'acquisition d'images stéréoscopiques d'un échantillon comportant plusieurs objets, et des moyens électroniques (23) de traitement de données coopérant avec les moyens d'acquisition pour analyser la forme des objets. 8. Dispositif selon la revendication 7, qui comporte deux caméras progressives (15, 16), des moyens (5, 6) d'éclairage d'un échantillon, une structure maintien des moyens d'éclairage et des caméras au-dessus d'un support (2) recevant l'échantillon, un ordinateur (23) raccordé auxdites caméras et fonctionnant sous la commande d'un logiciel comportant des moyens pour effectuer les opérations selon l'une des revendications 1 à 6. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le support (2) est mobile.