Brevet FR2852428A1 — publié le 20040917

La présente invention concerne un dispositif permettant de créer rapidement et automatiquement une maquette virtuelle d'une scène réelle. La numérisation 3D d'une scène réelle s'effectue 5 traditionnellement, suivant les échelles, par contact, par projection laser, par lumière structurée ou encore par couples de photos de la scène prises de points de vues différents. Ces méthodes ne permettent ni une création automatique ni une réalisation rapide de la 10 maquette virtuelle réaliste de la scène. Le dispositif selon l'invention permet d'acquérir une carte de profondeur de la scène sous forme de points dans l'espace, de mailler ces points (relier ces points ensemble pour former une surface triangulaire, quadrangulaire ou quelconque), et enfin de texturer ces mailles en associant les sous-espaces correspondant à ces mailles pour obtenir une maquette en trois dimensions réaliste de la scène. Ce processus est entièrement automatique et peut se 20 réaliser dans un laps de temps très court (quelques secondes suivant les performances techniques du dispositif). Le dispositif comporte selon une première caractéristique, une camera vidéo numérique fixe reliée à un ordinateur permettant de contrôler les paramètres 25 optiques des prises de vues (ouverture et longueur focale) puis d'analyser les images extraites de la vidéo. La caméra filme la scène à numériser sans changer de direction ni de position. Seule la longueur focale varie faiblement entre chaque images de la vidéo. Chaque image 30 est décomposée en un certain nombre de sousespaces, et le traitement numérique va consister à analyser la netteté de chacun de ces sous-espaces. Chaque image correspondant à une longueur focale déterminée, les sousespaces de cette image ayant une 35 netteté optimum seront à une distance connue de l'objectif. L'analyse de l'ensemble des images produites, chacune correspondant à une longueur focale précise, permet donc de produire une carte de profondeur de la scène vue par la caméra vidéo. Cette carte de profondeur est ensuite maillée, le maillage se définissant par la liaison de proche en proche des différents sous-espaces de l'image, puis texturée en associant à ces mailles les sous-espaces correspondants des images ayant une netteté optimum, permettant d'obtenir la maquette virtuelle maillée et texturée réaliste de la scène réelle vue par la caméra. Selon des modes particuliers de réalisation - La caméra vidéo peut être remplacée par un appareil de photos numérique ou plus généralement tout capteur optique permettant de créer des images numériques. - L'analyse de netteté de l'image peut se réaliser 15 suivant différents algorithmes connus de l'homme de l'art, pour, selon l'utilisation, trouver le meilleurs compromis entre la vitesse de calcul et la qualité du résultat. - Le découpage de l'image en sous-espaces peut s'effectuer en plus ou moins grand nombre et de façon régulière ou non, la définition de la maquette finale dépendant du nombre et de la taille des sous-espaces analysés. Ce nombre pouvant aller jusqu'au nombre total de pixels des images à traiter, suivant besoin. - Le maillage permettant de relier les points (sousespaces de l'image) calculés dans l'espace peut s'effectuer en reliant directement le centre des sousespaces de l'image avec leurs voisins, chaque sommet étant alors un des points calculés. Mais il peut aussi 30 bien utiliser des points intermédiaires entre ces sousespaces, calculés à partir de moyennes pondérées des centres des sous-espaces voisins, offrant plusieurs variantes suivant le besoin. - La liaison caméra vidéo -> calculateur peut être de plusieurs types, en privilégiant la vitesse de transfert de la caméra vers le calculateur, mais permettant également le contrôle des caractéristiques optiques de la caméra, du calculateur vers la caméra. Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente le dispositif complet de l'invention avec illustration du principe de la netteté 5 d'une image en fonction de la variation de la longueur focale. La figure 2 illustre un procédé de calcul de la netteté d'un sous-espace de l'image. La figure 3 montre un exemple d'une portion d'image 10 découpée en sousespaces et un maillage triangulaire associé. En référence à ces dessins, le dispositif comporte une camera vidéo numérique(1) fixe relié (12) à un calculateur pour d'une part permettre le contrôle de l'optique de la caméra (ouverture et longueur focale), et d'autre part assurer le transfert de la séquence vidéo sur le calculateur. Cette séquence vidéo est alors découpée en images fixes successives exploitables par logiciel sous forme bitmap. Chaque image correspond à une longueur focale déterminée, l'image d'un point (3) de la scène sera floue (4) lorsqu'elle sera en avant ou en arrière du plan de netteté (10) de 1' optique (5) de la camera. En faisant varier sensiblement la longueur focale (7)& (8)&(9) du système optique, on ajuste la projection du point sur le plan de netteté (10), sachant que, si D est la distance de l'optique au point de la scène (6), f la longueur focale (8) de l'optique et S la distance de l'optique au capteur de la caméra (plan de netteté) (10), 30 on a la relation: 1/D + 1/S = 1/f. Le point sera net (11) lorsque cette relation sera respectée. S étant fixe, en faisant varier f (8) en f' (7) ou f'' (9), on obtient plusieurs images plus ou moins floues (4)& (11) du point de la scène. Lorsque le point est net (11), c'est pour une longueur focale déterminée, il est donc possible de calculer la distance D de l'optique au point de la scène. Si on considère le référentiel de la scène au centre de l'optique de la caméra, on obtient alors un point dans l'espace. Pour obtenir une précision optimum des résultats, il 5 faut diminuer le plus possible la profondeur de champs de l'optique de la caméra. On obtient une profondeur de champs minimum en augmentant la longueur focale (8), l'ouverture de l'optique et en diminuant la distance de l'optique à la scène (6). Ces contraintes imposent un faible champs de vue à la caméra, la scène ne peut donc être que de petite taille. Mais cette caractéristique est fonction également de la taille du capteur numérique (10): plus ce capteur (10) 15 est grand et plus le champ de vue de la caméra est important. A titre d'exemple: à une distance de lm50 (6), avec une longueur focale de 135 mm. (8) et un capteur de dimension 24x36 mm. (10), on obtient une profondeur de champ de 2.2 20 mm. environ (le niveau de précision du calcul du point en profondeur) et un champ de vue de 38 x 25 cm, soit à peu près la taille d'un buste humain. Si on augmente la taille du capteur, on augmente d'autant le champs de vue de la caméra (le rapport est linéaire). S'il est nécessaire de conserver ce niveau de précision (2.2 mm.) et de modéliser sur une profondeur de cm. par exemple, il sera nécessaire d'analyser 90 images environ (200/2.2), chacune produite avec un décalage (16 microns) de la longueur focale de la caméra 30 (différence entre (7) et (8), et entre (8) et (9). Le nombre de points calculés dans l'espace dépend du nombre de sousespaces (15) définis dans l'image, la résolution de la maquette est proportionnelle à ce nombre de points (17). La netteté d'un sous-espace (15)de l'image peut s'évaluer en calculant le contraste de couleur du/des pixel(s) considéré(s) (13) avec ses/leurs voisins (14). Une façon simple et rapide d'évaluer cette netteté est de calculer la somme des valeurs absolues des différences d'intensité RGB du pixel considéré avec ses voisins immédiats (18). Ce calcul est à faire sur chaque images de longueur focale donnée et pour chaque sous-espace (15)des ces images. Pour un sous-espace donné de l'image, on choisira l'image ayant eut la plus grande somme (18) calculée. Connaissant la longueur focale de cette image, on 10 obtient directement la distance de ce sous-espace à l'objectif de la caméra et donc ses coordonnées dans l'espace par rapport au référentiel de la caméra. Ce nuage de points par sous-espace (15) ainsi calculée, on maille les points (17) de proche en proche 15 en les reliant trois par trois (16), de façon à obtenir une surface continue en relief. Enfin, chaque maille (16) est associée à la surface nette correspondante de l'une des images analysée de façon à obtenir une maquette virtuelle réaliste de la 20 scène réelle filmée par la caméra. j I y REVENDICATIONS 1) Dispositif de création rapide et automatique de maquette virtuelle maillée et texturée d'une scène réelle caractérisé en ce qu'il comporte une caméra vidéo numérique (1) fixe reliée (12) à un calculateur (2) permettant de contrôler les paramètres optiques de la caméra (ouverture et longueur focale) et de mémoriser la séquence vidéo pour en analyser image par image et pour chacune sous-image par sous-image (15) le niveau de netteté. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'analyse de la netteté des images (19) correspondant à des longueurs focales déterminées permet de déterminer la position spatiale de sous-images (15) par rapport à un référentiel lié à l'optique de la 15 caméra. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que ces positions spatiales liées par un maillage pré-définit permet de créer une surface continue en trois dimensions sur laquelle on peut associer une texture bitmap composée des sous-images (15) nettes prélevées sur les images prises par la caméra.