Brevet FR2892822A1 — publié le 20070504

Dispositif et procédé de mesure de vitesse d'un élément mobile dans un environnement borné. L'invention concerne un dispositif et une méthode de mesure de vitesse d'un élément mobile dans un environnement borné. La mesure de vitesse est une information utilisée dans beaucoup de domaines et notamment sur les routes ou lors des compétitions sportives comme par exemple pour la natation. Bien souvent la mesure de vitesse s'accompagne de l'installation de capteurs sur le dispositif en mouvement dont on souhaite mesurer la vitesse. Cependant dans les applications mentionnées ci-dessus, il est difficile d'équiper les sportifs ou les véhicules d'un capteur. Pour les sportifs, la présence d'un capteur peut être gênante en fonction des mouvements effectués ou dangereuse en cas de chutes, lors des match de football ou de rugby par exemple. L'équipement des véhicules ne présente pas les mêmes problèmes mais est difficilement envisageable dans le cas où les mesures de vitesse des véhicules s'effectuent par surprise lors de contrôles de vitesse, les véhicules n'étant alors évidemment pas équipés de capteurs spécifiques à ces fins. La mesure de vitesse d'un sportif peut être utilisée à des fins informatives lors de la retransmission de l'événement sportif pour les spectateurs ou téléspectateurs mais aussi à des fins pédagogiques pour améliorer les performances. L'invention propose une mesure de vitesse d'un élément mobile évoluant dans un environnement borné ne nécessitant pas de moyens de mesure sur l'élément mobile. A cet effet l'invention concerne un dispositif de mesure de vitesse d'au moins un élément mobile dans un environnement borné comprenant : - des moyens de capture vidéo dont le champ de capture couvre l'environnement, - des moyens d'étalonnage mettant en correspondance la granularité des images capturées et la distance réelle dans l'environnement, - des moyens de repérer un signe distinctif de l'élément mobile. Selon l'invention le dispositif comprend des moyens d'identifier la position dans l'environnement du signe distinctif sur la vidéo capturée à un premier instant et à un second instant, les moyens d'étalonnage étant aptes à convertir l'évolution du signe distinctif sur la vidéo entre le premier instant et le second instant en une distance parcourue dans l'environnement, le dispositif comprend des moyens de calculer la vitesse de l'élément sur la distance parcourue entre les premier instant et deuxième instant. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend des moyens de récupérer les dimensions de l'environnement borné et la distance entre l'environnement et les moyens de capture vidéo. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens d'étalonnage mettent en correspondance la granularité des images capturées et la distance réelle en fonction des paramètres intrinsèques des moyens de capture, et de la position des moyens de capture par rapport au repère absolu de l'environnement. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de capture comprennent une caméra fixe placée au dessus de l'environnement. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend des moyens de déterminer la direction dans laquelle évolue l'élément mobile, les moyens d'identifier la position du signe distinctif recherchant la position sur la vidéo en fonction de la direction. Avantageusement, l'élément distinctif est le barycentre d'une zone de l'élément mobile. 30 De manière préférée, l'élément mobile est un nageur et l'environnement est une piscine. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens d'identifier les différentes lignes d'eau de la piscine. Selon un autre mode de réalisation, l'élément mobile est une voiture et l'environnement est une route. Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de mesure de vitesse d'au moins un élément mobile dans un environnement borné comprenant : - Une étape de capture vidéo dont le champ de capture couvre ledit environnement, - Une étape d'étalonnage mettant en correspondance la granularité des images capturées et la distance réelle dans ledit environnement, - Une étape de repérage d'un signe distinctif dudit élément mobile. Selon l'invention le procédé comprend une étape d'identification de la position dans l'environnement du signe distinctif sur la vidéo capturée à un premier instant et à un second instant, ladite étape d'étalonnage convertissant ladite évolution dudit signe distinctif sur ladite vidéo entre le premier instant et le second instant en une distance parcourue dans ledit environnement, ledit procédé comprenant une étape de calcul de la vitesse dudit élément sur ladite distance parcourue entre les premier instant et deuxième instant. L'invention sera mieux comprise et illustrée au moyen d'exemples de modes de réalisation et de mise en oeuvre avantageux, nullement limitatifs, en référence aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 représente un exemple de dispositif selon un mode de réalisation préféré de l'invention, - la figure 2 représente un exemple d'environnement selon le mode de réalisation préféré de l'invention, - la figure 3 représente un mode de réalisation préféré d'un procédé selon l'invention, - la figure 4 représente un autre aspect de l'invention. Les modules représentés sont des unités fonctionnelles, qui peuvent ou non correspondre à des unités physiquement distinguables. Par exemple, ces modules ou certains d'entre eux peuvent être regroupés dans un unique composant, ou constituer des fonctionnalités d'un même logiciel. A contrario, certains modules peuvent être éventuellement composés d'entités physiques séparées. La figure 1 représente un premier mode de réalisation dans lequel un nageur évolue dans une piscine 3 et l'on souhaite connaître sa vitesse instantanée. Une caméra 1 se trouve au dessus du bassin. La caméra est centrée sur la piscine de manière à ce que son champ d'action couvre tout le bassin. Son axe optique est donc centré sur la piscine. Cette caméra est reliée à un dispositif de traitement 2 par l'intermédiaire d'un réseau de communication de type éthernet s'il s'agit d'une caméra munie d'une interface IP. Cette communication peut être également différente dans d'autres modes de réalisation. La caméra centrée sur le bassin est en mesure de capturer la vidéo 25 de différents nageurs évoluant dans le bassin. La caméra est donc placée à une hauteur suffisante de manière à couvrir toute la piscine Le dispositif de traitement 2 connaît les caractéristiques de la piscine et notamment sa largeur et sa longueur. Le dispositif de traitement 2 étalonne la caméra 1 pour établir une 30 correspondance entre les mesures de distance dans le bassin 3 et les mesures de distance dans les images capturées. L'étape d'étalonnage consiste à estimer les paramètres extrinsèques et intrinsèques de la caméra. Les paramètres extrinsèques expriment la position 3D de la caméra par rapport au repère absolu de la scène. Ils se décomposent en une matrice de rotation et une matrice de translation : - R est une matrice de rotation entre le repère absolu de la scène et le repère local de la caméra, - t représente le vecteur de translation entre l'origine du repère absolu de la scène et le repère local de la caméra. Les paramètres intrinsèques contiennent les informations sur les données internes de la caméra. Dans l'hypothèse d'un modèle de projection perspective pure sans distorsions non linéaires, les paramètres intrinsèques sont au nombre de 5 : le rapport entre les tailles des pixels en x et y et la distance focale, l'angle entre les axes du repère image, et les coordonnées de la projection du centre optique dans l'image. Pour estimer les paramètres intrinsèques et extrinsèques de la caméra, des données métriques provenant de la scène peuvent être utilisées (taille de la piscine par exemple). Ces données métriques liées à la position des points 3D sont exprimées dans le repère absolu lié à la scène. Ce repère pouvant être choisi quelconque, on pourra avantageusement le choisir de telle sorte que le centre du repère soit un angle de la piscine, les axes X et Y correspondant aux cotés de la piscine (longueur et largeur) et l'axe Z étant pris de telle sorte que le repère ainsi formé soir orthonormé direct (soit Z perpendiculaire au plan d'eau). Une étape de mise en correspondance initiale ou manuelle préalable entre points dans l'image et points 3D connus dans ce repère permet alors le calcul des paramètres intrinsèques et extrinsèques de la caméra. Connaissant les paramètres intrinsèques et extrinsèques, il est possible de connaître la position dans l'image de tout point 3D dont on connaît les coordonnées dans le repère absolu. Inversement, il n'est pas possible de connaître la position 3D d'un point de l'image mais seulement l'équation de la droite 3D sur laquelle se situe ce point (pour un point du plan image p, l'ensemble des points 3D appartenant à la droite passant par le point image p et le centre optique se projette en p). Cette équation est la suivante : faX+bY+cZ=d eX+fY+gZ=h Où les paramètres a,b,c,d,e,f,g,h sont connus. On doit donc rajouter ici une hypothèse sur la connaissance a priori de la surface 3D sur laquelle évolue l'objet. Dans la plupart des cas, l'hypothèse planaire est suffisante (plan d'eau, terrain de foot...) Il est cependant possible, quoique complexe à mettre en oeuvre, de considérer des surfaces non planes, la principale difficulté résidant dans l'estimation des équations paramétriques 3D de la surface. Ayant positionné le repère absolu à un angle de la piscine avec l'axe Z perpendiculaire au plan, l'équation du plan d'eau s'écrie de façon simple comme Z=O. Si l'on considère un point p de l'image connaissant les paramètres extrinsèques et intrinsèques on peut calculer les coordonnées 3D d'une droite sur laquelle se trouve le point 3D correspondant dans la scène. En ajoutant maintenant l'hypothèse de l'appartenance de ce point au plan d'eau (hypothèse valide dans le cas d'un nageur se déplaçant dans le plan d'eau), le point 3D est déterminé par l'intersection du plan d'eau (d'équation Z=0) avec la droite de projection 3D. En reprenant l'équation de la droite de projection et en y introduisant l'équation Z=O, on retrouve un système de deux équations à deux inconnues X et Y que l'on peut résoudre afin d'évaluer dans le repère absolu de la scène les coordonnées X et Y du point 3D correspondant au point p de l'image. Dans la suite, nous appellerons pos(t) le vecteur des coordonnées X et Y associé au point p dans le repère absolu de la scène. L'étape d'étalonnage est également éventuellement suivie d'une étape de détection des lignes d'eau dans la piscine, de manière à ensuite restreindre la zone de recherche d'un nageur lors de l'estimation de vitesse. Plus la zone de recherche est limitée, plus le temps de calcul de vitesse sera rapide et temps réel, ce qui est important dans le cas où la vitesse calculée représente une vitesse instantanée à afficher en temps réel, par exemple 25 fois par seconde. La détection des lignes d'eau s'effectue par un traitement d'image basé gradient, soit par la détection de contours rectilignes, de droites, ou par une technique basée sur le contraste des lignes d'eau, de couleur noire, en utilisant des outils de morphologie mathématique, par filtrage rectiligne ou en utilisant le chapeau haut de forme, outil de morphologie mathématique connu qui permet d'extraire les détails fins et contrastés d'une image. Une fois la segmentation du bassin en lignes d'eau effectuée, le dispositif de traitement 2 restreint la zone de recherche d'un nageur à sa ligne d'eau. Le dispositif de traitement 2 reçoit donc les images de la caméra 1 en temps réel. Il analyse donc à chaque instant les données vidéo afin de mettre en correspondance la distance d2 sur la vidéo et la distance dl effectivement parcourue par le nageur. Ces mesures peuvent être faites de manière très rapprochée pour mesurer la vitesse instantanée. Le dispositif de traitement 2 repère au préalable un signe distinctif du nageur duquel il analyse la vitesse. Ce signe distinctif peut être détecté préalablement au début de la nage lorsque le nageur attend le début de la course sur le plot de départ. Chaque nageur est donc repéré par ce signe distinctif et la distance parcourue par le nageur est la distance parcourue par ce signe distinctif. On peut par exemple choisir le bonnet de bain du nageur. Ceci permet de faire la distinction entre les différents nageurs. Le signe distinctif est de préférence un élément du nageur qui reste proche de la surface de l'eau et parallèle à celle-ci. Ce signe distinctif est initialisé manuellement par une interface homme machine sur le dispositif de traitement. L'opérateur clique alors simplement sur le signe distinctif et le dispositif de traitement 2 analyse ce signe distinctif de manière à en extraire les caractéristiques nécessaires à sa reconnaissance par la suite. Parmi les caractéristiques nécessaires figurent la couleur, la texture, la forme. Dans d'autres modes de réalisation, le signe distinctif peut être reconnu automatiquement par le dispositif de traitement qui choisit alors un signe distinctif pour chaque nageur dans chaque ligne d'eau. L'évolution du signe distinctif d'une image à l'autre est également envisageable par des méthodes de suivi d'objet dans une suite d'images connues de l'homme du métier. Lorsque le dispositif de traitement 2 a obtenu la distance dl à partir de la distance d2 et des données d'étalonnage, il calcule la vitesse du nageur à chaque instant t souhaité par la formule suivante : Vitesse Instantanée = (Pos (t+dt) û Pos (t)) / dt Avec (Pos (t+dt) û Pos (t)) représentant la distance d2 parcourue entre les instants t et t+dt, le nageur se déplaçant dans un plan et non dans une surface 3D. La figure 2 représente une zone de recherche dans laquelle le dispositif de traitement 2 va rechercher le nageur. Le nageur dont la vitesse doit être mesurée se trouve dans la ligne d'eau L4. Le bassin comporte 7 lignes d'eau, de L1 à L7. A partir des premières mesures effectuées, le dispositif de traitement 2 analyse le sens du déplacement du nageur. Ceci lui permet avantageusement de réduire la zone de recherche du signe distinctif dans l'image et donc de gagner du temps pour le calcul de la vitesse instantanée. Quand le nageur arrive en bout de ligne, la zone de recherche située en amont du déplacement du nageur ne contient plus le signe distinctif et la zone de recherche telle que située sur la figure 2 n'est pas exploitable. La zone de recherche est alors élargie dans les deux directions, en avant et en arrière du nageur. Cette zone de recherche peut se limiter à la ligne dans laquelle le nageur évolue. De même, lorsque le nageur arrive en bout de ligne, soit la course est finie, soit le nageur va disparaître sous l'eau le temps de faire demi-tour. Le dispositif de traitement ne peut donc pas repérer le signe distinctif à ce moment là. Il va donc analyser successivement toutes les images sans pouvoir générer de vitesse instantanée jusqu'à ce que le signe distinctif soit de nouveau repérable. Le dispositif de traitement 2 affiche la vitesse instantanée en temps réel. Ainsi tous les spectateurs dans la piscine peuvent visualiser la valeur de cette vitesse. Le dispositif de traitement 2 transmet également la vitesse instantanée avec la vidéo en tant que méta donnée associée. De cette manière, lors de la diffusion de la vidéo, la vitesse instantanée ainsi mesurée peut être visualisée simultanément avec les images. Cette transmission de la vitesse est faite par l'intermédiaire de méta données. Les données vidéo sont transmises en direct avec la vitesse associée en tant que méta donnée vers des moyens de diffusion, par exemple télévisuel. Les données vidéo et les méta données associées sont également enregistrées sur un disque dur ou tout autre moyen de stockage permanent pour être exploitées ultérieurement, par exemple par les nageurs et les entraîneurs lors de la visualisation de la course afin d'évaluer et de comprendre leurs performances. La figure 3 représente un procédé selon l'invention, mis en oeuvre par le dispositif de traitement 2 ainsi que par la caméra 1. Lors d'une première étape El, on capture une vidéo représentative de l'environnement borné dans lequel évolue le nageur. Cette vidéo permet d'étalonner la caméra, lors d'une étape E2 et ainsi de mettre en correspondance une distance dl dans le bassin et une distance d2 sur la vidéo comme indiqué précédemment. Lors d'une étape E3, le manipulateur indique sur une image de la vidéo le signe distinctif qui permet de distinguer l'élément mobile sur la vidéo. Lors d'une étape E4, on caractérise cet élément mobile de manière à le repérer dans les images suivantes. Cet élément mobile est caractérisé par les particularités de l'élément mobile comme indiqué précédemment. Ensuite, lors d'une étape E5, on peut commencer la capture de l'élément mobile lorsque l'on souhaite commencer les mesures de vitesse de l'élément mobile. Lors d'une étape E6, on commence les calculs de vitesse, par exemple lorsque la course a commencé. Lors d'une étape E7, dès les premiers calculs de vitesse, la vitesse calculée est affichée et/ou transmise à un dispositif distant pour être enregistrée ou diffusée. La figure 4 représente un autre aspect de l'invention dans lequel la caméra est mobile. La caméra est asservie sur la vitesse du nageur. La caméra est munie d'équipement de mesure de vitesse. Dans ce cas, la vitesse instantanée est donnée par la vitesse de la caméra et simplement calculée par des dispositifs habituels de calcul de vitesse. La mesure de vitesse est ainsi transmise au dispositif de traitement 2. Dans d'autres modes de réalisation, le signe distinctif est le barycentre d'une zone reconnaissable à l'image. Ceci permet avantageusement d'obtenir des déplacements à valeur réelle fournissant des mesures de vitesse instantanées plus précises. Dans d'autres modes de réalisation, il est possible de mesurer la vitesse de plusieurs nageurs simultanément. Pour cela, chaque nageur est identifié par le dispositif de traitement 2 dans sa ligne d'eau. Le dispositif de traitement repère pour chaque nageur un signe distinctif, par exemple le bonnet de bain. Les lignes d'eau étant séparées habituellement par des flotteurs dont la couleur est repérable, le dispositif de recherche peut facilement isoler chaque nageur. Dans d'autres modes de réalisation, il est possible d'avoir plusieurs caméras au-dessus du bassin pour couvrir tout le bassin si une seule caméra n'est pas suffisante. Les caméras peuvent donc être placées à différents angles pour couvrir le bassin. La mise en correspondance entre les distances dl et d2 se fait alors en combinant les paramètres des différentes caméras et leur position par rapport au bassin. Un autre mode de réalisation préféré concerne la mesure de vitesse d'un véhicule sur une route. Ceci peut également être le cas lors d'un grand prix de formule 1 par exemple ou lors de contrôle de vitesse par les autorités sur les routes. Dans ce cas, une caméra vidéo est placée au-dessus de la route et observe le déplacement du véhicule dans une zone dont l'étendue est bornée, par exemple un tronçon de route de 300m. La caméra peut être accrochée en hauteur, par exemple suspendue à un pont. De même que dans le précédent mode de réalisation décrit en figures 1 à 4, la caméra est reliée à un dispositif de traitement qui étalonne la caméra et permet d'établir une correspondance entre la distance mesurée sur la vidéo et la distance réelle parcourue par le véhicule. Le fonctionnement décrit pour les figures 1 à 4 est également valable pour ce mode de réalisation. Le signe distinctif du véhicule est par exemple le barycentre du véhicule. Revendications 1. Dispositif de mesure de vitesse d'au moins un élément mobile dans un environnement borné (3) comprenant : - des moyens (1) de capture vidéo dont le champ de capture couvre ledit environnement (3), - des moyens d'étalonnage (2) mettant en correspondance la granularité des images capturées et la distance réelle dans ledit environnement (3), - des moyens de repérer un signe distinctif dudit élément mobile, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'identifier la position dans ledit environnement (3) dudit signe distinctif sur ladite vidéo capturée à un premier instant et à un second instant, lesdits moyens d'étalonnage (2) étant aptes à convertir ladite évolution dudit signe distinctif sur ladite vidéo entre le premier instant et le second instant en une distance parcourue (dl) dans ledit environnement (3), ledit dispositif comprend des moyens de calculer la vitesse dudit élément sur ladite distance parcourue entre les premier instant et deuxième instant. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de récupérer les dimensions dudit environnement (3) et la distance entre ledit environnement (3) et lesdits moyens de capture vidéo (1). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits moyens d'étalonnage (2) mettent en correspondance la granularité des images capturées et la distance réelle (dl) en fonction des paramètres intrinsèques desdits moyens de capture (1), et de la position desdits moyens de capture par rapport au repère absolu dudit environnement (3). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de capture (1) comprennent une caméra fixe placée au dessus dudit environnement (3). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de déterminer la direction dans laquelle évolue ledit élément mobile, lesdits moyens d'identifier ladite position dudit signe distinctif recherchant ladite position sur ladite vidéo en fonction de ladite direction. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit élément distinctif est le barycentre d'une zone dudit élément mobile. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit élément mobile est un nageur et ledit environnement (3) est une piscine. 8. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il 20 comprend des moyens d'identifier les différentes lignes d'eau de ladite piscine. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit élément mobile est une voiture et ledit environnement est une route. 25 10. Procédé de mesure de vitesse d'au moins un élément mobile dans un environnement borné comprenant : - Une étape (El) de capture vidéo dont le champ de capture couvre ledit environnement, 30 - Une étape (E2) d'étalonnage mettant en correspondance la granularité des images capturées et la distance réelle dans ledit environnement, - Une étape (E3) de repérage d'un signe distinctif dudit élément mobile,caractérisé en ce qu'il comprend une étape (E4) d'identification de la position dans ledit environnement dudit signe distinctif sur ladite vidéo capturée à un premier instant et à un second instant, ladite étape d'étalonnage convertissant ladite évolution dudit signe distinctif sur ladite vidéo entre le premier instant et le second instant en une distance parcourue dans ledit environnement, ledit procédé comprenant une étape (E6) de calcul de la vitesse dudit élément sur ladite distance parcourue entre les premier instant et deuxième instant. 10