INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
À cet effet, il a été mis au point un stylet pour système de numérisation en trois dimensions par palpage manuel et système de vision présentant un palpeur et un localisateur comprenant plusieurs marqueurs uniques et présentant chacun une normale d’orientation différente les unes par rapport aux autres.
Selon l'invention, les marqueurs sont en nombre, en position et en orientation pour qu’au moins deux marqueurs soient lisibles par une caméra du système de vision, selon tout point de vue du localisateur en condition de palpage.
De cette manière, quelle que soit la position ou l'orientation du palpeur, on garantit que plusieurs marqueurs seront lisibles par la caméra, ce qui permet d'éviter les ambiguïtés de pose lorsqu’on utilise une caméra monoculaire. De plus, le praticien n'a pas à s'inquiéter d'orienter correctement stylet par rapport à la caméra : il est donc plus libre dans les mouvements lors du palpage, qui est facilité. Par ailleurs, la lecture de deux marqueurs au lieu d’un seul augmente la résolution de la lecture effectuée : la numérisation est plus précise.
Par « marqueurs uniques », on signifie que les marqueurs sont individuels, différents les uns des autres.
Par caméra, on entend tout dispositif de captation optique telle qu'un appareil photo, une caméra ou un capteur, configuré pour obtenir une image des marqueurs.
L’expression « selon tout point de vue du localisateur en condition de palpage » signifie toutes les dispositions et inclinaison raisonnablement prévisibles du localisateur lors de l'étape de palpage, sous réserve que l’image du localisateur soit nette (profondeur de champ de la caméra compatible, et pas de flou de bougé lors de l’acquisition). Des exemples de positions sont illustrés .
Le localisateur est passif, c’est à dire qu’il n’émet ni lumière, ni ondes radio destinées à être captées par le système pour que ce dernier détermine la position du localisateur.
Dans un mode de réalisation préféré, les marqueurs sont en nombre, en position et en orientation pour qu'au moins trois marqueurs soient lisibles par une caméra, quelle que soit la position du marqueur. Ce mode confère deux avantages distincts : - l’information captée par la caméra est redondante car seulement deux marqueurs auraient été suffisants pour lever l’ambiguïté de pose. La redondance de l’information permet de rendre l'estimation de la pose du stylet encore plus précise, donc la numérisation en trois dimensions sera de meilleure qualité. - la durabilité du stylet est augmentée, car si un marqueur devenait défaillant (soit à cause d'une salissure lors du palpage, soit à cause d'une détérioration par usure) alors le stylet reste fonctionnel car deux marqueurs sont suffisants pour éviter les ambiguïtés de pose - la performance du stylet est augmentée car une image captée par la caméra est exploitable même si le localisateur est partiellement masqué (par le chirurgien ou par un objet quelconque) : il suffit que deux marqueurs soient visibles.
Afin de garantir une bonne lisibilité des marqueurs, les marqueurs sont des codes à deux dimensions, tel qu’un code à barres à 2 dimensions.
Toujours pour garantir une bonne lisibilité, pour un point de vue donné, les normales des trois marqueurs visibles présentent une inclinaison inférieure à 75° par rapport à l’axe optique du point de vue, et de préférence inférieure à 60°.
Pour que la résolution de la numérisation soit bonne, le palpeur présente une géométrie sphérique de rayon compris entre 0,2mm et 2mm, et de préférence égal à 1mm.
Dans un autre mode de réalisation, le palpeur présente une géométrie sous forme de pointe, pour palper certaines zones articulaires en traversant la zone cartilagineuse, afin de toucher directement l’os.
Afin d'assurer une distribution des marqueurs qui soit régulière, les normales des marqueurs sont chacune parallèle à la normale d’une face d’un polyèdre uniforme tel qu’un dodécaèdre, un icosaèdre, un cube tronqué ou un octaèdre tronqué. Une distribution régulière permet d'éviter que certaines orientations du localisateur soient moins performantes que d'autres.
Dans un mode, le localisateur présente une géométrie irrégulière. Ce mode ne présente pas les avantages précités, néanmoins la conception et la fabrication du localisateur s'en trouvent facilitées car les contraintes géométriques sont moindres.
Avantageusement, les marqueurs mesurent entre 8 et 20 mm, de préférence entre 10mm et 15mm, et encore plus préférentiellement mesurent 12mm. Par « dimension », on entend la longueur des côtés d’un marqueur carré, ou le diamètre d’un marqueur circulaire. Ces dimensions permettent d'avoir un bon compromis entre l'encombrement du localisateur et la lisibilité des marqueurs, lorsque la caméra est placée à une distance d'environ 1 m du stylet lors du palpage.
L'invention concerne également un système de numérisation en trois dimensions par palpage manuel et système de vision monoculaire comprenant : - un stylet selon les caractéristiques précitées ; - une caméra configurée pour acquérir une image du localisateur lors du palpage ; - un ordinateur exécutant un programme d’ordinateur programmé pour : - identifier les marqueurs visibles sur l’image acquise ; - déterminer la position du localisateur par rapport à la caméra ; - déterminer la position du palpeur par rapport au localisateur ; - reconstruire une géométrie de la surface palpée à partir de plusieurs positions déterminées du palpeur. Un tel système permet de bénéficier des avantages précités du stylet. En particulier, le stylet selon l'invention permet d'utiliser une caméra monoculaire, ce qui réduit le coût du système, et qui libère le champ opératoire car il n’y a qu’un seul champ de vision de caméra à dégager. La précision obtenue de la localisation est néanmoins équivalente et parfois supérieure à certains systèmes stéréoscopiques de l’art antérieur.
En particulier, le gestionnaire de fenêtre d’affichage 13 comporte un transformateur 1310 de fenêtre d’affichage en fonction de requête reçue wi_rq relative à une fenêtre d’affichage. Notamment, le gestionnaire de fenêtre d’affichage 13 comporte : un ouvreur 1310 o de fenêtre d’affichage W_OP en fonction de requête reçue wi_rq(op) d’ouverture d’une fenêtre d’affichage. Eventuellement, le gestionnaire de fenêtre d’affichage 13 comporte : un transformateur élémentaire 1310 m de paramètre de reproduction selon la requête wi_rq(pd’=v pd ’). Le transformateur 1310 de fenêtre d’affichage en fonction de requête reçue wi_rq relative à une fenêtre d’affichage comporte, par exemple, une ou plusieurs des dispositifs suivants : - un ouvreur 1310 o de fenêtre en fonction de requête reçue wi_rq(op) d’ouverture d’une fenêtre d’affichage ;
- un transformateur élémentaire 1310 m de paramètre de reproduction selon la requête wi_rq(pd’=v pd ’).
Eventuellement, le transformateur 1310 de fenêtre d’affichage fourni des paramètres de reproduction de la fenêtre de reproduction modifiée wi(pd), wi(pd’) au régulateur 13110 apte à régler un ou plusieurs de ces paramètres de reproduction en fonction du contexte utilisateur courant cnx U .
Ainsi, le régulateur 13110 est, en particulier, apte tenir compte de la modification souhaitée wi_rq. Par exemple, si la modification de position requise amène la fenêtre d’affichage dans une position dans laquelle sa lecture sera difficile pour l’utilisateur, notamment dans une zone de reproduction interdite, le réglage pourra rechercher la position acceptable la plus proche de la position requise (notamment dans une zone de reproduction autorisée, voire tolérée) pour déplacer la fenêtre d’affichage.
Soit un dispositif de reproduction 2 distinct du gestionnaire d’environnement immersif 1, soit gestionnaire d’environnement immersif 1 lui-même comporte un dispositif de reproduction 2, 14 de l’environnement immersif apte à recevoir le signal de reproduction de l’environnement immersif ie comportant le cas échéant une fenêtre modifiée pour laquelle au moins un paramètre de reproduction a été réglée en fonction du contexte utilisateur cnx U .
La illustre un schéma simplifié d’un environnement immersif dans un cas d’usage particulier mis en œuvre par un procédé de gestion d’un environnement immersif et/ou un système de réalité immersive soit selon l’invention, soit utilisant un procédé de gestion de fenêtres W_MNGT et/ou un gestionnaire de fenêtres d’affichage selon l’invention.
L’utilisateur U est dans un environnement réel 9, RE, en l’occurrence un véhicule dans l’exemple de la . Il n’y dispose pas de poste de travail réel et utilise son smartphone 1’ pour générer et gérer un poste de travail virtuel 40, VWS en réalité augmenté. Ainsi, un dispositif de reproduction de réalité augmenté par exemple des lunettes RA (non illustrée) permettent de reproduire le poste de travail virtuel 40, VWS comportant en l’occurrence 3 fenêtres d’affichage : W1,401 ; W2, 402 ; W3, 403.
Dans sa position de travail dans le véhicule, l’utilisateur U est assis avec l’impossibilité de se lever, de se déplacer, ni de se retourner.
Par conséquent, si lors d’une ouverture d’une nouvelle fenêtre, le dispositif de gestion de l’environnement immersif utilise la totalité de l’environnement tridimensionnelle, cette nouvelle fenêtre peut être ouverte dans le dos de l’utilisateur qui se trouve dans l’incapacité de la voir et donc d’interagir avec.
Un autre conséquence est liée au type d’interaction avec les fenêtres d’affichage. Par exemple pour déplacer une fenêtre d’affichage, l’utilisateur peut prendre l’une des fenêtres avec sa main (par exemple avec une position de la main qui semble à plat sur la fenêtre) puis déplacer celle-ci par un geste du bras vers l’emplacement souhaité. Le risque est que le déplacement étant mal contrôlé, la fenêtre se déplace en limite du champ visuel de l’utilisateur sachant que celui-ci devra faire des efforts physique pour se mettre face à celle-ci (torsion du buste et/ou des cervicales) avec néanmoins, le risque de mauvaise lecture des données affichées dans cette fenêtre, et/ou d’erreur d’interaction car en limite de zone d’interaction physique (difficulté à placer le bras, la main correctement pour interagir avec un élément spécifique affiché par la fenêtre d’affichage, par exemple un élément d’interaction d’un menu ou d’un onglet de la fenêtre d’affichage).
En utilisant l’invention, cela n’arriverait pas car les paramètres de reproduction de ces fenêtres ouvertes ou déplacées seraient réglés en fonction du contexte utilisateur, c’est-à-dire tiendrait compte du fait que l’utilisateur ne peut lire et/ou interagir que dans certaines parties de l’environnement immersif tridimensionnel, en l’occurrence dans une partie l’environnement immersif tridimensionnel devant l’utilisateur ayant un angle de 40 à 60° de chaque côté (champ de vision efficace) et à une hauteur de vue prédéfinie devant l’utilisateur propre à l’utilisateur et à sa position (assise, debout, allongée, etc.).
La illustre un schéma simplifié illustrant des zones de reproductions réglées utilisées dans un mode de réalisation particulier de l’invention.
Les zones de reproduction réglées illustrées sont: une zone idéale zd1 dans laquelle non seulement la reproduction de fenêtres d’affichage est autorisée et même préférée à une autre zone de reproduction autorisée tant qu’il reste suffisamment d’espace pour y ouvrir ou déplacer une fenêtre d’affichage ; une zone de tolérance zd2 dans laquelle la reproduction de fenêtres d’affichage est autorisée (tolérée) notamment si la zone idéale zd1 est pleine (c’est-à-dire s’il n’y a plus d’espace pour ouvrir ou déplacer une fenêtre d’affichage dans la zone idéale zd1).
Dans l’exemple de la , l’utilisateur U déplace une fenêtre d’affichage wi, 40i notamment au moyen d’un périphérique d’interaction 41. La nouvelle position de la fenêtre d’affichage wi, 40i requise par l’utilisateur U. L’invention permet de régler les paramètres de reproduction de cette fenêtre d’affichage wi, 40i déplacée de telle sorte que la fenêtre d’affichage soit déplacée non pas à la position requise mais soit dans la zone idéale zd1 (notamment s’il y reste suffisamment d’espace de reproduction libre), soit à la position la plus proche éventuellement à cheval sur les zone idéales zd1 et zd2. Dans ce deuxième cas, cela donne l’impression à l’utilisateur U que la fenêtre d’affichage wi, 40i est attirée par la zone de tolérance zd2.
A noter dans l’exemple de la , la zone de tolérance zd2 inclut la zone idéale zd1, mais il peut s’agir dans d’autres cas d’usage de zones distinctes.
Par conséquent, le chirurgien n'est plus obligé d'orienter le localisateur (12) pour s'assurer que les marqueurs (M) sont bien face à la caméra (20) lors de la pose du stylet (10). Il est beaucoup plus libre de ses mouvements, ce qui facilite le palpage.
La illustre de manière schématique différentes positions qu’est susceptible d’adopter un stylet (10) lors d'un palpage. Les inclinaisons du stylet (10) peuvent être diverses et variées. Par rapport à la caméra (20), il peut y avoir un angle mort disposé derrière l’objet (30) à palper. Dans ce cas, la longueur de la tige (13) du stylet (10), généralement comprise entre 10 cm et 25 cm, permet de palper cette zone tout en disposant le localisateur (12) dans le champ de la caméra (20).
En référence aux figures 2, 4 et 5, on a illustré les orientations que présentent les marqueurs (M) par rapport à la caméra (20). Le localisateur (12) présente une multitude de marqueurs. Bien que plusieurs marqueurs (M) soient visibles par la caméra (20), tous ne sont pas lisibles par celle-ci.
En effet, comme illustré , si un marqueur (M) présente une inclinaison trop importante par rapport à la caméra (20), celui-ci n'est pas lisible. Sur la : - les marqueurs (M) M1, M2 et M3 sont correctement orientés par rapport à la caméra (20), de sorte que leur lisibilité est possible ; - les marqueurs (M) M4, M5 et M6 sont trop inclinés et ne sont pas lisibles.
La mesure de l’inclinaison des marqueurs (M) se fait entre l’axe optique (21) de la caméra (20), et la normale (n) des marqueurs. Par exemple, les normales (n1, n2, n3) respectivement des marqueurs (M1, M2, M3) sont représentées sur les figures 2 et 4. Les angles correspondant (a1, a2, a3) sont représentés sur la .
La illustre une captation (C) effectuée par la caméra (20), et permet d’illustrer que le problème posé est résolu par l’orientation des marqueurs (M), pas nécessairement par la géométrie en tant que telle du localisateur (12) : - le localisateur (12) peut être un solide convexe, et en particulier un polyèdre uniforme convexe tel que le dodécaèdre de la , un icosaèdre, un cube tronqué ou un octaèdre tronqué ; - le localisateur (12) peut être un solide non convexe, par exemple sous la forme d’une étoile portant à chacune de ses extrémités un marqueur (M) : une étoile régulière à douze branches fournirait la même captation que celle d’un dodécaèdre ; - le localisateur (12) peur être un solide irrégulier, tel qu’illustré .
En pratique, un polyèdre uniforme convexe permet d’obtenir une distribution régulière des marqueurs (M), de sorte que la performance de lecture est la même, quelle que soit l’orientation du stylet (10) lors du palpage.
Un solide convexe ne présente pas de zones de rétention : le nettoyage du stylet (10) est facilité, ce qui est préférable dans le domaine médical, et en particulier celui de la chirurgie.
La illustre une captation (C) sur laquelle un marqueur (M3) est détérioré. En fonction des dégradations, un marqueur (M) détérioré peut ne pas être lu par le programme, ou encore être mal lu par le programme, c’est-à-dire fournir : - une bonne identification du marqueur (M), mais dans une mauvaise orientation ; ou - une mauvaise identification du marqueur (confusion entre deux marqueurs).
Dans le cas d’une mauvaise lecture, le programme d’ordinateur sera induit en erreur et la détermination de la pose pourrait conduire à une ambigüité.
Afin de se prémunir de tels inconvénients, un procédé d’étalonnage du système de numérisation comprend une étape d’évaluation de la lisibilité des marqueurs. Lors de cette étape, le programme d’ordinateur est programmé pour évaluer la lisibilité de chaque marqueur (M), de manière à : - soit prendre en compte le marqueur (M) lors des acquisitions, si sa lisibilité est suffisante ; - soit ignorer le marqueur (M) si sa lisibilité est insuffisante.
Une fois que le système est étalonné selon cette méthode, le programme d’ordinateur est programmé pour ne pas prendre en compte le marqueur (M) défectueux. Cela signifie que sur les images captées par la caméra (20), le programme ordinateur est programmé pour ignorer les données susceptibles de correspondre à celle du marqueur (M) défectueux. Ces données sont identifiées par leur position par rapport aux autres marqueurs (M) encore lisibles, par exemple les marqueurs (M) M1 et M2 sur la . Les risques d’ambigüités de pose sont supprimés.
L'invention concerne également un procédé d'étalonnage d’un système de numérisation en trois dimensions, permettant de pouvoir utiliser un nouveau stylet (10) avec un système préexistant. Cette séquence d’étalonnage comprend les étapes suivantes : - la caméra (20) acquiert plusieurs images du localisateur (12) selon différents points de vue ; - le programme d’ordinateur est programmé pour : - identifier les marqueurs (M) visibles sur chaque image acquise ; - modéliser en trois dimensions les positions relatives des marqueurs (M) sur le localisateur (12).
Bien entendu, il est nécessaire d’acquérir suffisamment d’images pour que chaque marqueur (M) ait été visualisé au moins une fois par la caméra (20).
Ainsi, pour chaque image captée lors du palpage, le programme d’ordinateur sera apte à identifier les au moins deux marqueurs (M) lisibles, puis à déterminer la position (y compris l’orientation) du localisateur (12).
La position du palpeur (11) par rapport au localisateur (12) étant prédéterminée dans le programme, la position du palpeur (11) pourra donc être déterminée elle aussi.
la représente une vue éclatée d’un dispositif tournant comprenant un détecteur de position angulaire selon l’invention ;
la représente une vue en coupe du dispositif tournant de la ;
la représente une vue schématique et en coupe d’une variante du dispositif tournant de la ;
la représente une vue schématique en coupe du dispositif tournant comprenant un aimant de biais ;
la représente un graphique de l’état d’activation des interrupteurs à lames souples induisant à la détection de la position angulaire de la pièce rotative.
La représente une vue éclatée d’un dispositif tournant 1 comprenant une partie fixe 2, ou communément appelé stator, et une partie rotative, ou communément appelé rotor 4, mobile en rotation autour d’un axe de rotation A1 par rapport à la partie fixe 2.
Le dispositif tournant 1 comprend également un détecteur de position angulaire 6 de la partie rotative 4 par rapport à la partie fixe 2. Le détecteur de position angulaire 6 comprend un aimant 62 solidaire de la partie rotative 4, apte à générer un flux magnétique selon un axe radial A2 s’étendant de l’axe de rotation A1 de la partie rotative 4. L’aimant 62 est considéré comme le rotor 620 du détecteur de la position angulaire 6. Ce rotor 620 subit alors une rotation identique à la partie rotative 4. Pour ce faire, la partie rotative 4 comprend un logement 42 dans lequel l’aimant 62 est inséré de sorte à ce que les pôles magnétiques de l’aimant 62 soient alignés avec l’axe radial A2. Ainsi, l’aimant 62 génère un flux magnétique s’étendant selon l’axe radial A2 et subissant également la rotation de la partie rotative 4.
A titre d’exemple indicatif, l’aimant 62 est un aimant Sm2Co17. Ce type d’aimant présente l’avantage de présenter un faible encombrement par rapport à d’autres types d’aimant. Un aimant Sm2Co17 est également doté d’une induction rémanente élevée, de l’ordre de 1,1 Tesla, et d’une énergie volumique élevée, de l’ordre de . Les coefficients de variation thermique de l’induction rémanente et du champ coercitif de cet aimant Sm2Co17 sont aussi avantageux pour les cycles thermiques que subit un satellite en orbite.
En variante, tout type de structure magnétique permettant de générer un flux magnétique s’étendant selon l’axe radial A2 peut être envisagé. A titre d’exemple indicatif, un électro-aimant peut être envisagé. Un système de collecteur permettant d’alimenter l’électro-aimant ou un système d’alimentation par induction peut être couplé avec l’électro-aimant par une électronique de bord. Néanmoins, l’utilisation d’un électro-aimant, de son alimentation ainsi que de l’électronique de bord nécessite un volume plus important en comparaison de l’aimant 62.
L’aimant 62 et le rotor 620 du détecteur de position angulaire subit donc une rotation au rythme de la partie rotative 4 et génère une variation du champ magnétique selon l’axe radial A2.
Le détecteur de position angulaire 6 comprend un détecteur binaire de champ magnétique solidaire de la partie fixe 2, configuré pour basculer d’un état dit ouvert à un état dit fermé lorsque le détecteur binaire de champ magnétique est traversé par le flux magnétique de l’aimant 62. Le détecteur binaire de champ magnétique est à titre d’exemple indicatif un capteur délivrant une information binaire lorsque le champ magnétique varie.
Le détecteur de position angulaire 6 comprend par exemple un premier interrupteur à lame souple 64 solidaire de la partie fixe 2. Le premier interrupteur à lame souple 64 comprend deux bords, ou deux contacts, et est configuré pour basculer d’un état dit ouvert, dans lequel les deux bords sont distants à un état dit fermé, dans lequel les deux bords sont électriquement reliés lorsque le premier interrupteur à lame souple est traversé par le flux magnétique de l’aimant 62 de sorte à générer une impulsion ou un changement d’état lorsque le champ magnétique dépasse une valeur prédéfinie.
En effet, un interrupteur à lame souple, est un interrupteur magnétique comprenant deux contacts. Ces deux contacts, ou bords, qui sont, à titre d’exemple indicatif, en alliage fer-nickel, sont magnétisables et élastiques. Ainsi, en présence d'un champ magnétique dépassant une intensité prédéfinie, les contacts s'aimantent par influence, et sont attirés l'un par l'autre. Les contacts se rapprochent jusqu’à se toucher, ce qui est observable lors de l’établissement du passage d’un courant. Lorsque le champ magnétique est réduit au-dessous de la valeur prédéfinie, la magnétisation des lames ne devient plus suffisante pour établir le contact entre les lames, mettant fin à la connexion électrique.
Selon une variante, l’aimant 62 est inséré dans le logement 42 de sorte à générer le flux magnétique perpendiculairement à l’axe radial A2. Dès lors, bien que le flux magnétique ne soit pas dirigé directement dans la direction du premier interrupteur à lame souple 64, le premier interrupteur à lame souple détecte une variation du champ magnétique permettant de basculer de l’état ouvert à l’état fermé et inversement.
En temps normal, les deux contacts sont éloignés d'une dizaine de micromètres environ, mais sous l'effet d'un champ magnétique important, ils se rapprochent jusqu'à la fermeture de l'interrupteur à lame souple.
Ces dispositifs permettent d’afficher ces objets virtuels en position dite « conforme », c’est-à-dire que leurs images se superposent parfaitement aux emplacements que des objets réels occupent à l’extérieur. Ainsi, l’image d’une piste synthétique est affichée en superposition parfaite à l’endroit exact que la piste réelle occupe sur le terrain. Il en est de même, par exemple, de la ligne d’horizon.
Ainsi, par exemple, lorsque le dispositif d’affichage tête haute porté est utilisé dans un porteur tel qu’un aéronef, il est possible d’associer un référentiel de projection lié à l’environnement extérieur de l’aéronef et un autre référentiel de projection lié par exemple à la surface d’affichage ou alors à la tête de l’utilisateur.
Le fait d’afficher des informations dans différents référentiels dans le cas d’un dispositif d’affichage tête haute porté permet par exemple d’afficher des informations par des symboles dont la représentation est liée à un référentiel spécifique (par exemple représentation dans le dispositif d’affichage porté de la ligne d’horizon appartenant au référentiel terrestre local par le dessin d’une ligne synthétique).