Brevet FR3007174A1 — publié le 20141219

- 1 - METHODE DE TRAITEMENT DE L'IMAGE NUMERIQUE DE LA SURFACE D'UN PNEUMATIQUE EN VUE DE LA DETECTION D'UNE ANOMALIE [001] L'invention concerne le domaine de la fabrication des pneumatiques, et plus particulièrement l'étape au cours de laquelle le pneumatique est inspecté en vue d'établir un diagnostic de conformité par rapport à des références préétablies. [002] Cette étape de contrôle peut être exécutée par un opérateur effectuant une inspection visuelle détaillée du pneumatique. De manière alternative, des méthodes d'inspection automatique sont en cours de développement et font appel à des méthodes d'analyse d'une image de la surface du pneumatique. Cette image peut être une image du relief, et on parle alors d'image 3D ou une image des niveaux de couleurs et on parle alors d'une image 2D. Ces deux images peuvent être utilisées séparément ou être combinées en fonction de l'élément particulier que l'on souhaite détecter. [003] L'image de la surface en trois dimensions peut être obtenue à l'aide de moyens connus, basés sur le principe de la triangulation optique, et faisant appel à des capteurs couplés à des sources de lumière telles que des sources laser. Tout autre type de capteur 3D permettant d'obtenir cette image d'élévation convient à la méthode, par exemple des capteurs utilisant les techniques de stéréo vision, coupe optique, temps de vol laser, etc. On obtient de la sorte une image topographique de la surface du pneumatique. [4] Pour faciliter les traitements numériques de l'image il est courant de faire correspondre le niveau de gris associé à un point formant un pixel de l'image à l'élévation de ce point par rapport à la surface du pneumatique. On obtient alors une image bidimensionnelle en noir et blanc que l'on peut exploiter à l'aide des techniques de traitement d'image adaptées au cas particulier du pneumatique. [5] Parmi les anomalies pouvant se manifester à la surface interne ou externe du pneumatique, les occlusions d'air, provoquant ce qui est communément dénommé sous l'appellation de soufflures, sont courantes. [6] Ces soufflures se manifestent sous la forme d'un gonflement localisé induisant de faibles surélévations au niveau de la surface du pneumatique. La surface de ces soufflures excède rarement une dizaine de cm2, et leur forme, plus ou moins circulaire, évoque souvent l'allure de la tête d'un dôme. Par ailleurs, leur amplitude excède rarement quelques millimètres. P1 0-3065_FR - 2 - [007] Les caractéristiques géométriques de ces soufflures les rendent souvent difficiles à localiser par des opérateurs même expérimentés. Il est alors particulièrement intéressant d'automatiser cette tâche par des méthodes de traitement d'image comme celle faisant l'objet de ce document. [008] L'invention a pour objet de tirer parti de ces caractéristiques dimensionnelles. On observe en effet que lesdites soufflures ont des lignes de plus grande pente qui convergent sensiblement vers un centre représenté par le point de plus grande élévation par rapport à la surface du pneumatique. [9] Le procédé selon l'invention prévoit ainsi de capturer l'image des élévations tridimensionnelle de ladite surface et d'affecter à chaque point de la surface représenté par un pixel de l'image un niveau de gris proportionnel à son élévation par rapport à ladite surface. [10] La méthode d'analyse de l'image ainsi obtenue se caractérise en ce qu'elle comprend les étapes au cours desquelles : - à partir de cette image des élévations, on forme une image de l'orientation des gradients d'élévation de la surface dans laquelle on affecte à chaque point une valeur de niveau de gris proportionnelle à l'angle formé avec une direction donnée par la projection dans le plan de l'image d'un vecteur de norme non nulle correspondant sensiblement, en ce point, au vecteur gradient tangent à la surface et orienté dans la direction de la plus forte pente. - on détermine une image filtrée des orientations en transformant l'image de l'orientation des gradients d'élévation à l'aide d'un filtre numérique apte à sélectionner les zones comportant des structures similaires à une image de référence de l'orientation des gradients d'élévation d'une soufflure. [011] Comme cela a été évoqué ci-dessus, l'image des gradients d'élévation d'une soufflure de référence présente une structure particulière qui se caractérise en ce que les vecteurs gradients orientés dans le sens de la plus grande pente des points appartenant à une soufflure, sont tous sensiblement orientés vers un centre correspondant au point le plus élevé de ladite soufflure et équivalent au sommet du dôme. De la sorte, les angles formés par ces vecteurs gradients avec une direction donnée varient de manière continue de 0° à 360°. En attribuant une valeur de gris proportionnelle à cet angle, on obtient une variation de gris évoluant continument le long d'une courbe de niveau quelconque du dôme formé par ladite soufflure, et dont la forme épouse sensiblement la forme d'un cercle centré sur le point central de plus forte élévation. La structure de l'image de référence de l'orientation des P1 0-3065_FR -3 gradients d'élévation d'une soufflure se présente donc sous la forme d'un dégradé sensiblement circonférentiel de niveaux de gris. [12] Préférentiellement, pour obtenir l'image filtrée des orientations, on réalise le produit de convolution de l'image de l'orientation des gradients d'élévation de la surface et d'un masque formé par l'image de l'orientation des gradients d'élévation d'une soufflure de référence. La convolution est une opération qui va avoir pour effet de faire ressortir les zones de la surface à inspecter dans lesquelles la ressemblance avec cette image de référence est la plus forte. [13] Pour faciliter les calculs la méthode peut prévoir, en chaque point de l'image des élévations, d'assimiler le vecteur gradient orienté dans la direction de la plus forte pente à la somme de deux vecteurs gradients tangents à la surface et orientés respectivement selon deux directions orthogonales. [14] Préférentiellement, on réalise un seuillage de l'image filtrée des orientations pour déterminer les zones ayant la plus grande probabilité de contenir une soufflure. [015] Pour réduire les détections à tort on peut utilement prévoir des étapes supplémentaires au cours desquelles : - on détermine les points de la surface formant des éléments en relief correspondant aux marquages réalisés par moulage, et on ramène le niveau de gris en ces points à la valeur de niveau de gris de la surface à inspecter pour obtenir une image d'élévation corrigée, - en chaque point de l'image d'élévation corrigée on détermine des élévations moyennes des pixels appartenant au voisinage proche ou lointain du point considéré, et on détermine une image filtrée des élévations en affectant à ce pixel un niveau de gris proportionnel à un score d'élévation calculé en comparant ces élévations moyennes à des valeurs de seuils prédéterminées. [16] On peut alors utilement faire le produit de l'image filtrée des orientations et de l'image filtrée des élévations pour obtenir une image combinée. [17] Pour améliorer la lecture de l'image combinée, on peut réaliser un seuillage de l'image combinée pour obtenir une image segmentée dans laquelle les zones de la surface à inspecter susceptibles de contenir une soufflure sont mises en évidence. [18] La description qui suit s'appuie sur les figures 1 à 9 dans lesquelles : - la figure 1 représente l'image 3D de la surface d'un pneumatique, P1 0-3065_FR - 4 - - la figure 2 représente l'image de l'orientation des gradients d'élévation de ladite surface, - la figure 3 représente l'image de référence de l'orientation des gradients d'élévation d'une soufflure de référence, - la figure 4 représente l'image filtrée des orientations de ladite surface, - la figure 5 représente l'image de la surface du pneumatique de laquelle les éléments en relief provenant des marquages formés par moulage ont été extraits, - la figure 6 représente une vue schématique des points considérés à titre d'exemple comme appartenant au voisinage proche ou lointain d'un point de l'image, - la figure 7 représente l'image filtrée des élévations de la surface, - la figure 8 représente l'image combinée formée par le produit de l'image filtrée des orientations et de l'image filtrée des élévations, - la figure 9 représente l'image segmentée après seuillage de l'image combinée. [19] L'image de la figure 1 représente l'image d'une partie de la surface d'un pneumatique. Elle est obtenue par des moyens connus de réalisation d'une image en trois dimensions formés par exemple d'une caméra 2D, couplée à un dispositif d'éclairage laser émettant une raie lumineuse orientée radialement et ayant un angle d'incidence connu avec la surface. Un simple calcul de triangulation permet de connaitre l'élévation d'un point par rapport à un niveau de référence considéré ici comme le niveau de la surface du pneumatique sans éléments de gravure. [20] Chaque point de la surface est assimilé à un pixel de l'image. En affectant une faible valeur de gris (la valeur 0 correspondant au noir) aux points de la surface appartenant au niveau de référence, et une valeur de gris supérieure aux éléments en relief (la valeur 2n', où n représente le nombre de bits de l'image acquise, correspondant au blanc), on obtient une image de la surface en niveaux de gris dans laquelle les valeurs claires correspondent aux points en relief par rapport à la surface de base de couleur plus sombre. [21] Pour obtenir l'image complète de la surface du flanc ou de la partie intérieure, le pneumatique est mis en rotation autour de son axe. L'image finale des élévations ainsi obtenue est en général une image exprimée en coordonnées polaires (p, 0). Aussi, pour les besoins de l'analyse, il est courant de convertir cette image des élévations en coordonnées cartésiennes, dans lesquelles les valeurs angulaire correspondent aux valeurs selon un premier axe (OX) et les valeurs de module correspondent aux valeurs selon un second axe orthogonal (OY). P1 0-3065_FR - 5 - [22] Il est à noter que cette méthode peut s'appliquer au flanc et à l'intérieur ou tout autre zone pouvant présenter des soufflures (bourrelet, sommet, épaules, ...). L'acquisition concerne donc les surfaces extérieure et intérieure des enveloppes. [23] On observe la présence, au centre de l'image des élévations de la figure 1, d'une soufflure S de couleur claire indiquant sa position surélevée par rapport à la surface de base. [24] Il serait possible à ce stade de détecter la soufflure en recherchant, à l'aide d'une simple analyse de seuil, les surfaces claires, se détachant du fond plus sombre. [25] On observe toutefois que cette analyse ne permet pas de filtrer des zones plus claires engendrées par des variations lentes de l'altitude de la surface du pneumatique et provoquées par exemple par des déformations locales du flanc ou encore par des marquages en relief de grande surface. L'invention a également pour objet de distinguer les soufflures de ces éléments. [26] La figure 2 représente l'image de l'orientation des gradients de la même portion de surface dans laquelle le niveau de gris affecté à chaque pixel est proportionnel à l'angle formé avec la direction OX par la projection dans le plan OXY du vecteur gradient de norme non nulle orienté en ce point dans la direction de la plus forte pente. [27] L'évaluation du gradient de plus forte pente en un point peut se faire par itérations successives du calcul de la dérivée au point considéré en recherchant la direction dans laquelle la valeur de cette dérivée est la plus faible. [28] Par souci de simplification des calculs, on assimile ce gradient à la somme du vecteur gradient selon la direction OX et du vecteur gradient selon la direction OY. Ces deux vecteurs sont tangents à la surface au point considéré et leur module est proportionnel au gradient d'élévation respectivement dans chacune des directions OX et OY. [029] On observe alors que les points situés en bordure des éléments de marquage en relief ont un vecteur gradient orientés selon une direction perpendiculaire à la ligne frontière du marquage faisant ressortir ces lignes avec un niveau de gris proportionnel à l'angle de la ligne par rapport à l'axe des abscisses OX. De même, les variations de niveau liées à des dépressions radiales localisées ont des vecteurs gradients orientés dans une même direction et seront reconnaissables par des zones sombres dans la partie de la pente descendante, allant vers le fond de la dépression, et par des zones claires dans la partie de la pente remontante. P1 0-3065_FR - 6 - [30] Les soufflures se caractérisent par le fait que les vecteurs gradients orientés dans le sens de la plus grande pente convergent sensiblement vers le centre de la partie sommitale de la soufflure. Les angles formés avec la direction OX par les vecteurs gradients des points situés sur un cercle centré sur le point de plus grande élévation de la soufflure varient donc de manière continue de la valeur 0 (correspondant au noir) à la valeur 360° (correspondant au blanc). L'image d'une soufflure apparait donc comme un dégradé circonférentiel de gris comme cela est illustré par la figure 3. [31] On observera ici que les soufflures peuvent se départir de la forme circulaire et avoir une forme plus ou moins allongée dans une direction donnée. Les angles formés par les vecteurs gradients orientés dans le sens de la plus forte pente de ces structures présentent néanmoins une image très proche des soufflures de forme plus circulaires, en ce que ces vecteurs convergent vers le point de plus grande élévation de la soufflure ou vers une ligne de crête généralement de très faible amplitude. Elles s'en différencient seulement en ce que les lignes de niveau sont plus ou moins allongées ce qui revient à modifier localement la variation plus ou moins continue du niveau de gris de la structure représentée à la figure 3. [32] Cette structure est également apparente sur la figure 2 à l'emplacement de la zone claire de la figure 1, et présente donc une forte probabilité de représenter une soufflure. [33] Pour identifier cette zone avec plus de certitude, on utilise donc une image de référence d'une soufflure, et on localise les zones de l'image de l'orientation des gradients de l'image de la surface du pneumatique dont la configuration et la structure ressemble le plus à la structure de l'image de l'orientation des gradients de plus forte pente d'une soufflure de référence telle que représentée à la figure 3. [34] A cet effet, on utilise un filtre F, comprenant une opération de convolution adaptée à ce type de mise en correspondance et dont le masque M est formé par l'image de l'orientation des gradients de plus forte pente de ladite soufflure. [35] Si on note M le masque modèle de taille (2L+1) x(2H+1), O l'image d'orientation du gradient, II II la distance angulaire, la réponse du filtre F caractérisant la forme évaluée au pixel (x,y) est donnée par : L EIII HUé )(110(X - i,y - j) - M(i + L,j + H)II)) (2L + 1)x(2H + 1) P1 0-3065_FR F(x, y) =30 - 7 - avec la fonction D définie de la manière suivante : - D(a)=1 si 1c:il s -valid - D(a)=0 si Svalid T1-ligh) t- 0 sinon où TH,gh et TLow sont deux paramètres de la méthode déterminés en fonction de valeurs moyennes observées sur des soufflures couramment détectées dans une gamme de pneumatiques donnée. [55] La figure 7 permet de visualiser l'image filtrée des élévations correspondante au résultat des opérations explicitées ci-dessus. [56] On observe que la zone correspondant à la soufflure mise en évidence par le filtre des orientations et visible à la figure 4, apparait encore clairement. [57] Apparaissent également des zones claires ne correspondant pas à des zones susceptibles de contenir une soufflure. Ces zones claires sont toutefois distinctes des zones claires détectées à tort dans l'image filtrée des orientations de la figure 4. [58] De la sorte, et pour diminuer les risques de détection à tort, on peut utilement combiner les résultats obtenus par les deux filtres décrits ci-dessus en faisant le produit de l'image filtrée des orientations telle qu'illustrée à la figure 4 et de l'image filtrée des élévations telle qu'illustrée à la figure 7, ou utiliser toute autre méthode de combinaison statistique de combinatoire. P1 0-3065_FR -10- [59] Ce produit revient en un pixel de l'image donné, à multiplier la valeur de niveau de gris obtenue pour ce pixel dans l'image filtrée des orientations par la valeur de niveau de gris obtenue pour ce même pixel dans l'image filtrée des élévations. [60] On obtient alors une image combinée telle qu'illustrée à la figure 8. [061] La zone correspondant à la soufflure apparait alors de manière distincte. [62] Pour éliminer les dernières incertitudes provenant des opérations de filtrage on peut utilement réaliser un dernier filtrage de l'image par l'application d'un seuillage tel qu'un seuillage par hystérésis. [63] Il s'agit d'une technique de segmentation d'images couramment utilisée qui sélectionne des pixels d'une image en niveau de gris en fonction de deux paramètres dits seuil haut (Sh) et seuil bas (Sb). L'algorithme fonctionne de la manière suivante: - extraction des pixels dont le niveau de gris est supérieur à Sh = pixels P1, - extraction des pixels dont le niveau de gris est compris entre Sb et Sh = pixels P2, - sélection de tous les pixels P1 + les pixels P2 connexes aux pixels Pl. [64] On obtient au final une image segmentée dans laquelle les zones de la surface susceptibles de contenir une soufflure apparaissent en clair comme cela est illustré à la figure 9. Les zones détectées à tort ont été totalement éliminées. [65] Les algorithmes de mise en oeuvre de la méthode sont indiqués ici à titre exemplatif en raison de leur simplicité de mise en oeuvre sur des moyens de calcul utilisés dans l'industrie. Ils peuvent toutefois faire l'objet de nombreuses variantes sans pour autant se départir de l'esprit de l'invention. P1 0-3065_FR REVENDICATIONS1) Méthode d'analyse de l'image numérique tridimensionnelle de la surface d'un pneumatique à inspecter dans laquelle on capture l'image des élévations tridimensionnelle de ladite surface en affectant à chaque point de la surface représenté par un pixel de l'image un niveau de gris proportionnel à son élévation par rapport à ladite surface, caractérisée en ce que : - à partir de cette image des élévations, on forme une image de l'orientation des gradients d'élévation de la surface dans laquelle on affecte à chaque point une valeur de niveau de gris proportionnelle à l'angle formé avec une direction donnée par la projection dans le plan de l'image d'un vecteur de norme non nulle correspondant sensiblement, en ce point, au vecteur gradient tangent à la surface et orienté dans la direction de la plus forte pente. - on détermine une image filtrée des orientations en transformant l'image de l'orientation des gradients d'élévation à l'aide d'un filtre numérique apte à sélectionner les zones comportant des structures similaires à une image de référence de l'orientation des gradients d'élévation de plus forte pente d'une soufflure. 2) Méthode d'analyse selon la revendication 1 dans laquelle l'image de référence de l'orientation des gradients d'élévation d'une soufflure se présente sous la forme d'un dégradé sensiblement circonférentiel de niveaux de gris. 3) Méthode d'analyse selon la revendication 1, dans laquelle, pour obtenir l'image filtrée des orientations, on réalise le produit de convolution de l'image de l'orientation des gradients d'élévation de la surface et d'un masque formé par l'image de l'orientation des gradients d'élévation de plus forte pente d'une soufflure de référence. 4) Méthode d'analyse selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle, en chaque point, on assimile le vecteur gradient orienté dans la direction de la plus forte pente à la somme de deux vecteurs gradients tangents à la surface et orientés respectivement selon deux directions orthogonales. 5) Méthode d'analyse selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle on réalise un seuillage de l'image filtrée des orientations pour déterminer les zones ayant la plus grande probabilité de contenir une soufflure. P1 0-3065_FR-12- 6) Méthode d'analyse selon l'une des revendications 1 à 5 dans laquelle : - on détermine les points de la surface formant des éléments en relief correspondant aux marquages réalisés par moulage, et on ramène le niveau de gris en ces points à la valeur de niveau de gris de la surface à inspecter pour obtenir une image d'élévation corrigée, - en chaque point de l'image d'élévation corrigée, on détermine des élévations moyennes des pixels appartenant au voisinage proche ou lointain du point considéré, et on détermine une image filtrée des élévations en affectant à ce pixel un niveau de gris proportionnel à un score d'élévation calculé en comparant ces élévations moyennes à des valeurs de seuils prédéterminées. 7) Méthode d'analyse selon la revendication 6, dans laquelle on fait le produit de l'image filtrée des orientations et de l'image filtrée des élévations pour obtenir une image combinée. 8) Méthode d'analyse selon la revendication 7 dans laquelle on réalise un seuillage de l'image combinée pour obtenir une image segmentée dans laquelle les zones de la surface à inspecter susceptibles de contenir une soufflure sont mises en évidence. 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