MEANS AND METHOD FOR DETERMINING THE ATTITUDE OF AN OBJECT RELATIVE TO AN OBSERVATION POST

Abstract: 1. A method for determining the attitude of an object (8) in space by means of an installation in relation to an observation post (1) occupied by an observer, on the basis of a substantially planar image (2) of this object (8) taken from the observation post (1), characterized by the steps of : a/ first recording a representation of a geometric model of the object (8), this numerical representation comprising the passing of the coordinates measured in a three-dimensional reference system into the memory (5) of at least three optically recognisable and non-aligned points (M0 , M1 , M2 ) of the object, which reference system is associated with the object (8) and hereinafter designated the object reference system, b/ defining (10), on the basis of this numerical representation, at least two object vectors obtained by joining two of these points to the third, and whose components are measured in the object reference system c/ determining (20) the modulus of each of these object vectors, as well as the scalar product of the two object vectors, d/ analysing (30) the image (2) for relocating therein these three points (M0 , M1 , M2 ), as well as for determining their coordinates in the plane of the image (2), e/ defining (40) on the basis of these coordinates two image vectors corresponding to the two object vectors and whose components are measured in a two-dimensional reference system associated with the image (2), f/ correlating with these two image vectors, two observer vectors defined in a three-dimensional reference system associated with the observer (1) and designated hereinafter as the observer reference system, each one of the observer vectors having two components proportional to the components associated with the corresponding image vector, the proportionality coefficient depending on the respective known scale factors relating to these two components in relation to the object (8), as well as an unknown factor (d) of the distance between the object and the observer (1), while the third unknown component of each observer vector is taken along an axis orientated in the sighting direction, g/ determining (50) the distance factor (d) in the form of a real number on the basis of the equality between the moduli and the scalar product of two observer vectors and of two object vectors respectively, as well as determining the third component of each of the two observer vectors in order to define completely these observer vectors in space, save for a mirror symmetry, h/ determining (70) the rotations making it possible to pass from the object reference system to the observer reference system, and i/ deducing (80) therefrom the angular data relating to the attitude of the object in relation to the observer (1).

Description: Procédé et appareillage pour déterminer l'attitude d'un objet dans l'espace par rapport à un poste d'observation. L'invention concerne la détermination de deux angles d'attitude d'un objet dans l'espace par rapport à un poste d'obser ovation; à partir de vues prises au poste d'observation. Il a déjà été proposé d'effectuer une prise de vue, à l'aide d'une caméra-vidéo, pour repérer la position d'un objet dans l'espace (Certificat d'Addition français publié sous le NO 2 374 701). Le but du dispositif décrit dans ce certificat d'Addition est de ramener toujours dans la même position un corps, en l'espèce un corps humain, qui doit subir un traitement thérapeutique échelonné dans le temps. Le procédé mis en oeuvre consiste à commander l'acquisition, dans le plan image d'un moniteur de télévision associé à la caméra, des coordonnées de trois points caractéristiques du corps superposables à trois points de référence représentant sur l'écran une position, que l'on cherche à reproduire. Un ensemble de calcul numérique est utilisé pour déterminer quel déplacement doit être appliqué au corps pour obtenir, sur le moniteur de télévision, la coencidence des trois points caractéristiques du corps avec des points de référence. Un tel dispositif de traitement d'image ne permet pas de déterminer l'attitude, ni la distance,d'un corps ou d'un objet observé par la caméra. Il suppose d'ailleurs une coopération totale de ce corps, ou objet, en ce sens que l'appareil doit pouvoir contrôler et modifier la position du corps, ou objet. Enfin, le dispositif du Certificat d'Addition 2 374 701 ne permet pas non plus d'obtenir une vue en perspective de l'objet visé, à partir des mesures effectuées. La présente invention vient offrir un procédé et un appareil lage qui, à partir de vues prises d'un objet, coopératif ou non, permettent au contraire la détermination de l'attitude, ainsi éventuellement que de la distance de l'objet. Elle met en oeuvre des moyens relativement simples et peu onéreux fournissant une solution élégante au problème de détermination d'attitude, avec une précision satisfaisante (en moyenne de l'ordre del )-. Enfin, la présente invention permet, dans l'une # I'une de ses variantes, d'obtenir une vue en perspective de l'objet, en particulier dans la direction de visée, et de la superposer à l'image donnée par les moyens de prise de vue. Le procédé selon l'invention a donc pour but de déterminer l'attitude d'un objet dans l'espace, par rapport à un poste d'observation, à partir d'une image sensiblement plane de cet objet,prise du poste d'observation. Ce procédé comporte cer taines étapes semblables à celles connues d'après le Certificat d'Addition français antérieur NO 2 374 701. Mais il diffère du procédé antérieur tant par l'agencement particulier de ses étapes, que par le fait qu'il met en oeuvre des moyens spécifiques, lesquels font, pour partie, intervenir certains calculs. Le procédé selon l'invention comprend essentiellement les étapes consistant à a/ enregistrer, au préalable, une représentation numérique d'un modèle géométrique de l'objet, cette représentation numérique comprenant la mise en mémoire des coordonnées, mesurées dans un repère tridimensionnel lié à l'objet,d'au moins trois points optiquement reconnaissables de l'objet, et non alignés, b/ définir à partir de cette représentation numérique au moins deux vecteurs-objet, obtenus en reliant deux de ces points au troisième, et dont les composantes sont mesurées dans ce repère tridimensionnel, c/ déterminer le module de chacun de ces vecteurs-objet, ainsi que le produit scalaire des deux vecteurs-objet, d/ analyser l'image, pour y retrouver ces trois points, ainsi que pour relever leurs coordonnées dans le plan de l'image, e/ définir, à partir de ces coordonnées, deux vecteurs-image correspondant aux deux vecteurs-objet et dont les composantes sont ainsi mesurées dans un repère bidimensionnel lié à l'image, f/ faire correspondre à ces deux vecteurs-image deux vecteursobservateur, maintenant définis dans un repère tridimensionnel lié à l'observateur, chacun des vecteurs-observateur possédant deux composantes proportionenîles aux composantes associées du vecteur-image correspondant, le coefficient de proportionnalité dépendant des facteurs d'échelle respectifs, connus, relatifs à ces deux composantes par rapport à l'objet, ainsi qu'un facteur de distance inconnu, tandis que la troi sième composante, inconnue, de chaque vecteur-observateur, est prise selon un axe orienté dans la direction de visée, g/ à partir de l'égalité entre les modules et produit scalaire des deux vecteurs-observateur et des deux vecteursobjet respectivement, déterminer sous forme de nombre réel le facteur de distance ainsi que la troisième composante de chacun des deux vecteurs-observateur, ce qui définit complètement ces vecteurs-observateur dans l'espace, à une symétrie miroir près, h/ déterminer les rotations permettant de passer du repèreobjet au repère-observateur, et il en déduire les informations angulaires relatives à l'attitude de l'objet par rapport à l'observateur. De préférence, l'étape h/ comprend les opérations suivantes - hl/ construire numériquement une première matrice carrée d'ordre 3 constituée des composantes des deux vecteursobservateur ainsi que de leur produit vectoriel dans le repère observateur, - h2/ déterminer numériquement ltinverse de la première matrice, - h3/ construire numériquement une seconde matrice carrée d'ordre 3 constituée des composantes des deux vecteurs-objet, ainsi que de leur produit vectoriel dans le repère objet, et - h4/ déterminer numériquement au moins la troisième ligne de la matrice qui est le produit de i inverse de la première matrice et de la seconde matrice, et l'étape i/ consiste à déterminer lesdites informations angulaires à partir d'opérations trigonométriques effectuées sur des éléments de la troisième ligne de la matrice produit. Selon un autre aspect de l'invention, le procédé comporte en outre l'étape consistant à comparer à l'image de l'objet une silhouette construite à l'aide d'une partie au moins des points du modèle géométrique associé, soumis à une transformation géométrique tenant compte des paramètres d'attitude, du facteur de distance ainsi que des facteurs d'échelle. La présente invention concerne également un appareillage pour déterminer l'attitude d'un objet dans l'espace à partir d'un poste d'observation. L'appareillage proposé comporte - un organe de prise de vue, placé au poste d'observation, visant dans la direction de l'objet et fournissant une image sensiblement plane de cet objet, - une mémoire numérique propre à contenir les coordonnées, dans un repère tridimensionnel lié à l'objet, d'au moins trois points optiquement reconnaissables et non alignés de cet objet, ce qui définit un modèle géométrique de l'objet, - des moyens permettant l'analyse de chaque image délivrée par l'organe de prise de vue, afin d'y retrouver ces trois points optiquement reconnaissables, et de déterminer leurs coordonnées dans le plan de l'image, - des moyens de traitement de données, propres à effectuer des calculs numériques, vectoriels et matriciels, sur les données mises en mémoire, et agencés pour * déterminer à partir des trois points du modèle géométrique deux vecteurs-objet obtenus en reliant deux de ces points au troisième, les composantes de ces vecteurs-objet étant mesurées dans le repère tridimensionnel lié à l'objet, * déterminer le module de chacun de ces vecteurs-objet, ainsi que le produit scalaire des deux vecteurs-objet, * définir à partir des points retrouvés dans l'image les deux vecteurs-image correspondant aux deux vecteurs-objet et dont les composantes sont ainsi mesurées dans un repère bidimensionnel lié à l'image, * faire correspondre à ces deux vecteurs-image deux vecteurs-observateur dans un repère tridimensionnel lié à l'observateur, chaque vecteur-observateur étant défini numériquement par deux composantes proportionnelles aux compo santes associées du vecteur-image correspondant, le coefficient de proportionnalité dépendant des facteurs d'échelle, connus, intervenant respectivement entre l'objet et l'image selon chacune des composantes, ainsi que d'un facteur de distance inconnu, tandis que la troisième composante, inconnue, de chaque vecteur-observateur, est prise selon un axe orienté dans la direction de visée de l'organe de prise de vue, * à partir de l'égalité entre les modules et produit scalaire des deux vecteurs-observateur et des deux vecteurs-objet respectivement, déterminer numériquement sous forme de nombre réel le facteur de distance ainsi que la troisième composante de chacun des deux vecteurs-observateur, * déterminer les relations permettant de passer du repère objet au repère observateur, et * en déduire les informations angulaires relatives à l'attitude de l'objet. Comme on le verra plus loin, cet appareil permet en particulier la mise en oeuvre du procédé précité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée qui va suivre, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est le schéma général d'un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est un schéma dans l'espace illustrant comme objet un avion, et définissant le repère "avion", ainsi que le repère "observateur" associé aux moyens de prise de vue, les figures 3,3A et 3B constituent un autre schéma dans l'espace illustrant comment l'on peut définir un modèle géométrique d'un objet tel qu'un avion à partir de trois points la figure 4 illustre sous forme schématique d'organigramme la suite des opérations intervenant dans le procédé et le dispositif de l'invention; la figure 5 illustre de manière détaillée une partie des opérations de la figure 4, en référence à la figure SA qui rappelle les éléments d'un modèle géométrique de l'objet ou avion; la figure 6 illustre sous forme plus détaillée une autre partie desdites opérations, en référence à la figure 6A qui illustre schématiquement trois points du modèle, tel que vu sur l'image de l'écran; la figure 7 illustre en détail une troisième partie des opérations définies généralement sur la figure 4; la figure 8 illustre une variante du dispositif selon l'invention,sous forme de schéma-bloc général, et la figure 9 illustre le complément d'opérations effectuées dans le dispositif de variante de la figure 8. Les éléments des dessins en particulier les opérations écrites ou l'expression des calculs mathématiques, sont à considérer comme incorporés à la présente description pour servir à la définition de l'invention. Sur la figure 1,la référence 1 désigne la partie restitution d'image d'un organe de prise de vue, qui peut être incorporée A l'organe de prise de vue lui-même. L'image est reproduite sur un écran ou un moniteur de télévision référencé 2. Ainsi, le bloc 1 peut être une caméra-vidéo directement relie au moniteur de télévision 2. Il peut s'agir d'images enregistrées, auquel cas le bloc 1 est un magnétoscope encore une fois relié au moniteur de télévision 2. Il peut encore s'agir d'images photographiques, obtenues à l'aide d'une caméra photographique, auquel cas le bloc 1 est un projecteur défi- nissant optiquement une image sur un écran de projection classique 2. Une analyse d'image est faite au niveau du bloc 2. Cette analyse d'image peut, pour partie, faire intervenir un observateur humain. Ainsi, dans le cas d'un moniteur de télévision, l'observateur équipé d'un crayon lecteur peut pointer certains points optiquement reconnaissables de l'objet, tel qu'il les voit sur le moniteur de télévision. C'est ce que schématise le bloc 3, libellé "acquisition des trois marqueurs", puisque la présente invention demande que l'on définisse les positions d'au moins trois points sur l'image, par rapport au repère bidimensionnel associé au plan de l'image. Dans le cas où le bloc 2 désigne un écran sur lequel l'image est produite optiquement, l'acquisition des trois marqueurs peut se faire par tous moyens connus de visée optiques fine sur l'écran, avec bien entendu l'identification à chaque fois des coordonnées du point visé dans le repère bidimensionnel lié à l'image. On suppose que les informations délivrées par le bloc d'acquisition des trois marqueurs sont directement disponibles sous forme numérique. Dans le cas contraire, où elles sont initialement sous forme analogique, une conversion analogique/ numérique est effectuée. Les informations numériques ainsi obtenues sont appliquées à l'entrée d'un calculateur 4, associé à une mémoire 5 et délivrant deux informations angulaires O et ss et éventuellement une information de distance. La première étape du procédé selon l'invention réside en l'enregistrement au préalable d'une représentation numérique d'un modèle géométrique de l'objet (on supposera dans la suite qu'il s'agit d'un avion), cette représentation numérique comprenant la mise en mémoire des coordonnées, mesurées dans un repère tridimensionnel lié à l'objet, d'au moins trois points optiquement reconnaissables et non alignés de cet objet. En pratique, il est généralement souhaitable que le modèle géométrique intéresse un nombre de points de l'objet qui soit nettement supérieur à trois. La figure 2 illustre schématiquement un avion 8, auquel peut être associé un repère tridimensionnel noté Ra L'origine de ce repère avion et un point connu, par exemple le centre dé l'avion, et le repère est défini par trois axes X, Y et Z, le premier dans l'axe longidutinal de l'avion, le second dans un axe transversal, le troisième dans un axe complétant le trièdre. La figure 2 montre également un repère observateur Rot défini à partir d'un poste d'observation 9. Le repère observateur Ro possède trois axes de coordonnées, dont deux U et V, perpendiculaires l'un à l'autre, sont pris dans le plan de l'image de l'avion, tel qu'observé. Le troisième axe de coordonnées W est défini par la direction de visée dans le sens de l'avion vers le poste d'observation. Sur la figure 2, d désigne la distance entre l'origine du repère observateur et l'avion. 8 et f sont respectivement l'azimut et le complément à w/2 de l'angle de site de l'observateur par rapport au repère avion Ra On se reportera maintenant à la figure 3 sur laquelle l'avion 8 est illustré en vue de dessus. Les repères "avion" et "observateur" sont maintenant représentés, ramenés tous deux au même point origine. En partie basse de la figure 3 est illustré le repère écran, noté R e et défini à partir des deux axes de coordonnées u et v pris à partir d'une origine arbitraire. On note mo, de coordonnées uo et vo, l'image sur l'écran du point Mo qui est pris sur l'extrémité avant de l'aéronef. De même, on note mi et m2 les images des points M1 et M2 qui sont par exemple situés aux extrémités des ailes. On observe qu'il s'agit là de trois points optiquement reconnaissables de l'avion, et non alignés. Les coordonnées des points m1 et m2 sont respectivement (U1, V1) et (u2,v2). Dans le repère avion, aussi bien que dans le repère observateur, on prévoit de définir deux vecteurs-objet, de la manière suivante - > > L1 = Mo M1 et L2 Mo M2 Il leur correspond sur l'écran deux vecteurs image dans -- > ---- > -- > ---- > le plan, notés = mo m1et 12 = mo m2 La première étape, 10, du procédé (figure 4) consiste dans le choix de vecteurs t et t sur l'avion; il s'agit de choisir trois points de l'avion, optiquement reconnaissables et non alignés. I1 est bien entendu requis que ces points, que l'on peut aisément définir à l'avance, fassent l'objet d'une représentation numérique enregistrée préalablement dans la mémoire 5 du calculateur 4. Pour la définition de cette représentation numérique du modèle géométrique de l'avion, on prend une origine arbitraire, pour repérer dans l'espace tridimensionnel, les points M, M1 et M2. Dans le schéma de la figure 4, la modélisation préalable comporte des informations numériques exprimées sous forme de composantes des deux vecteurs g et 4 déterminés à partir des coordonnées de leurs extrémités. Le calculateur 4 effectue ensuite des calculs relatifs aux vecteurs t et < (étape 20 figure 4) dans le repère tridimensionnel relié à l'avion. Ces calculs comportent la détermination du module, ou carré scalaire, de chacun des vecteurs L1 et L2, du produit scalaire des deux vecteurs 7+. t , ainsi que de leur produit vectoriel t L1#L2. La détermination du produit vectoriel est considérée comme la meilleure manière de mettre en oeuvre la présente invention. Elle n'est cependant pas impérative, car on peut lui trouver des variantes. L'étape suivante 30 concerne l'acquisition sur l'image des coordonnées des trois points image correspondant à L1 et L2. Cette étape est effectuée par le bloc d'acquisition des troismarqueurs illustrés en 3 sur la figure 1. Des coordonnées de ces trois points mo, m1 et m2, on peut déduire deux vecteurs #g et 4 , puis leurs composantes dans le plan image, ou repère image bidimensionnel. L'étape 40 consiste alors à effectuer des calculs portant sur ces vecteurs g et 4, dans le repère image bidimension- nel. Plus précisément, on calcule trois grandeurs numériques C1, C2 et C3. C1 et C2 sont respectivement proportionnelles (par les facteurs d'échelle connus kv ) aux carrés scalaires des deux vecteurs plans L1 et L2, tandis que C3est pro-portionnelle à leur produit scalaire. Comme on le verra plus loin , on peut alors mettre en oeuvre une étape 50, qui consiste en la détermination de la distance d entre le point d'observation et l'avion. On admet alors que d est grand par rapport aux dimensions de l'avion, c'est-àdire que la distance est la même, au premier ordre, pour tous les points de l'avion. L'étape 60 effectue des calculs relatifs aux vecteurs < et 4 dans un repère tridimensionnel lié à l'observateur, et comprenant le repère image bidimensionnel. Ces calculs consistent en la détermination des composantes, dans ce repère observateur, du vecteur L11 du vecteur L21 et du produit vectoriel L'étape 70 consiste en la détermination des rotations qui permettent de passer du repère avion au repère observateur. Cette étape revient à déterminer les composantes des vecteurs unitaires du repère observateur dans le repère avion. Compte tenu de la symétrie miroir qui est possible par rapport à l'image, il existe deux solutions. Cependant, en certaines applications, on disposera à l'avance d'informations permettant de lever l'ambiguité entre ces deux solutions. Lrétape suivante 80 consiste alors en le calcul d'un ou deux jeux d'angles- d'attitude de l'avion par rapport à l'observateur (le nombre de jeux d'angles dépend du fait que l'ambi guité a été levée ou non). Ces angles d'attitude, qui sont l'azimut et le complément à "/2 du site O et ° illustrés sur la figure 2 se déduisent de manière simple, une fois que la ou les solutions de l'étape 70 ont été déterminées. Enfin, dans une variante de réalisation de l'invention, on procède également à une étape 90 qui consiste en la synthèse à partir du modèle de l'avion enregistré, d'une silhouette plane superposable à l'image de l'avion. Bien que cela puisse se faire seulement à partir de trois points, il est bien préférable que le modèle utilise un nombre de points nettement supérieur à trois, pour accentuer le caractère réaliste de la silhouette. La synthèse de la silhouette correspond alors à la projection de l'ensemble des vecteurs du modèle enregistré, dans le plan U, V du repère observateur d'où des informations numériques définissant les positions des points de la silhouette dans une image telle que donnée par l'écran. Ces informations numériques sont appliquées au bloc 6 de la figure 8, qui leur fait subir un traitement convenable pour permettre leur application à un mélangeur ou superposeur d'image illustré schématiquement en 7, et interposé entre le bloc 1 et le bloc 2 de la figure 8. Les autres blocs de la figure 8 sont semblables à ceux de la figure 1. Dans le cas où la liaison entre les blocs 1 et 2 de la figure 8 est une liaison de signaux vidéo, on utilisera pour le bloc 7 un mélangeur vidéo classique. Dans le cas où une image optique est projetée depuis le projecteur 1 sur un écran 2, on peut placer par exemple un écran semi-transparent, auquel cas le bloc 6 devient un générateur de points lumineux en position prédéterminée, dont la structure peut être semblable à celle du dispositif d'acquisition de trois marqueurs en réalisation optique. On décrira maintenant un exemple particulier de l'invention pour lequel un objet est un avion en vol, et la caméra et l'écran sont de télévision. La première étape du procédé selon l'invention consiste à enregistrer au préalable, dans la mémoire 5 (figure 1 ou 8), une représentation numérique d'un modèle géométrique de l'avion. Cette représentation numérique comprend les positions dans l'espace d'au moins trois points optiquement reconnaissables de l'avion, et non alignés. En pratique, on prend N points représentatifs P. avec N de l'ordre de quelques dizaines pour un avion. Ces N points sont choisis de manière à modéliser, au mieux, l'avion. La représentation numérique des positions des N points dans l'espace peut se faire à l'aide des coordonnées des points,pris relativement à une origine arbitraire, mais dans un repère avion géométrique direct et trirectangle qui soit en rapport avec son attitude. Par exemple X est l'axe longitudinal, Y est un axe transversal dans la direction des ailes vers la droite, Z complète le trièdre. La modélisation de l'avion peut être pratiquée de différentes manières connues, notamment par points individuels, ou encore par segments ou formes élémentaires (cône, sphère, triangle, ellipsoïde .* Le modèle géométrique ainsi enregistré est ramené à la défini tion des coordonnées CX1, CY1. CZ1 à CXN. CYN, CZN des points Pi comme le montre la figure 5A.- -La figure 5 rappelle que la première étape du procédé consiste en le choix de trois points du modèle Mo = Pi, M1 = pj, Mz = Pk' c'est-à-dire deux vecteurs L1 = MoM1 et L2= MoM2 . La suite des opérations illustrées sur la figure 5 consistent en une décomposition de l'étape 20 de la figure 4, donnée à titre d'exemple. Ainsi,les opérations 21 consistent en un calcul des compo santes X1, Y1, Z1 et X2, Y2, Z2 des vecteurs et L > Les 2 opérations 22 sont le calcul des carrés des modules de chacun des vecteurs L1 et L2 ,carrés scalaires qui sont notés L1 et L2 , ainsi que du produit scalaire PSA12 des mêmes vecteurs L1 et L2. Ces calculs sont effectués à partir des composantes de ces vecteurs dans le repère avion. Leur expression mathématique est donnée à l'intérieur du bloc 22 de la figure 5. L'opération suivante, notée 23, est une mémorisation des valeurs numériques des grandeurs L1 x L2 et PSA12, qui seront utilisées ultérieurement dans cet exemple. Ensuite, l'opération 24 est le calcul, toujours dans le repère avion, des composantes X3, Y3 et Z3 du produit vec toriel L1 L2. Là encore, l'expression de ces composantes en fonction de celles des vecteurs L1 et L2 est donnée dans le bloc 24 de la figure 5. il est alors possible d'enregistrer en mémoire (opération 252, en tant que matrice Mat des valeurs numériques rangées X1, Y1, Z1 sur la première ligne, X2, Y2, Z2 sur la seconde ligne et X31 Y3, Z3 sur la troisième ligne de la matrice Ma Pour certaines applications, lorsque l'un des points est privilégié, parce qu'étant toujours visible (par exemple Mo) les grandeurs mémorisées aux opérations 23 et 25 sont entiè rement déterminables à l'avance, pour le couple de vecteurs L1 et g choisi, et par conséquent pour tout couple de vecteurs que l'on peut extraire de l'ensemble de vecteurs L1 à LK.Enoenséquenoe, une variante de la présente invention consisterait à enregistrer en mémoire les carrés scalaires de chacun des vecteurs L1 à LK les produits scalaires de chaque paire que l'on peut construire à partir de ces vecteurs, de même que leurs produits vectoriels, et enfin une grande matrice d'où l'on pourrait extraire, suivant les besoins, la matrice Ma correspondant au couple de vecteurs particulier à prendre en considération. La figure 6A rappelle comment on peut déterminer les coordonnées respectives des trois points mo, m1 et m2 sur l'écran 2, dans le repère écran dont les axes sont u et v. On rapprochera cette figure 6A de la partie basse de la figure 3. Sur la figure 6A est illustrée l'étape 30, consistant en l'acquisition sur l'image des trois points image correspondant aux vecteurs L1 et L2. Les coordonnées des points dans le repère image bidimensionnel sont de la forme mo (uo , vO). On définit ainsi, sur l'écran, deux vecteurs l1 = mOmJ et 12 = mom2, qui sont les images respectives de L1 et L2 Quelle qu'en soit la nature, le système de prise de vue et de reproduction d'image possède des facteurs d'échelle et de grandissement que l'on note Ku selon l'axe de coordonnées u, et K v selon l'axe de coordonnées v. Ces facteurs d'échelle sont connus à l'avance et également inscrits dans la mémoire 5 des figures 1 ou 8. L'étape 40 de la figure 4 prend alors en compte les rapports Ku et K respectivement dans la direction des axes de v coordonnées u et v. L'opération 41 de la figure 6 consiste en le calcul des composantes U1* et V1* ainsi U2* et V2* que l'on associe de la sorte aux vecteurs-image. De la même manière, l'opération suivante 42 est un calcul des carrés scalaires C1 et Ci des deux vecteurs-image à partir de leurs composantes (U1*, V1*) et (U2*, V2*), ainsi que du produit scalaire C3 des mêmes vecteurs. A ce niveau, dans la version décrite de l'étape générale 40, on fait correspondre aux vecteurs-image, deux vecteursobservateur, qui, au lieu d'être définis dans le repère bidimensionnel lié à l'image, ou dans un repère bidimensionnel obtenu par affinité orthogonale à partir de celui-ci, sont maintenant définis dans un repère tridimensionnel lié à l'observateur. Chacun des vecteurs-observateur possède deux composantes proportionnelles aux composantes associées du vecteur-image correspondant (pris ici comme étant 11 et Le Lecoefficient de proportionnalité dépend des facteurs d'échelle respectifs, connus, notés Ku et Kv, et relatifs à ces deux composantes par rapport à l'objet. il s'y ajoute la distance inconnue que l'on note d. La troisième composante, encore inconnue, de chaque vecteur-observateur, est prise selon l'axe 2 orienté dans la direction de visée (figure 2). La correspondance que l'on établit ainsi peut être simplement implicite. On observe en effet qu'elle n'apparaît pas dans les opérations 41 et 42. L'opération 43 fait intervenir le calcul de trois grandeurs A, B et C, à partir des grandeurs C1 à C3 qui viennent d'être calculées, ainsi qu'à partir des carrés scalaires et produit scalaire précédemment calculés lors de l'opération 22 (figu 2 2 re 5). Ces grandeurs L1 , L2 et PSA12 sont indiquées comme entrées en partie gauche du bloc 43, qui donne l'expression ±#articulière du calcul des grandeurs A, B et C. On peut alors (opération 50) déterminer le facteur de distance d, selon la formule qui s'y trouve inscrite. L'homme de l'art reconnaîtra en cette formule l'expression de l'une des solutions d'une équation bicarrée en d qui serait donc de la forme A.d4 + B.d2 + C = o (1) A cet égard, l'-examen des relations indiquées dans les blocs 42 et 43 montre bien que B est systématiquement une grandeur négative, et que par conséquentpositif, est nécessairement supérieur au déterminant B-4AC. L'autre solution concernant le facteur de distance d, dans lequel on mettrait le signe + devant le déterminant dB2-4AC, ne convient pas, car elle correspondrait à des valeurs en nombres complexes des troisièmes composantes W1 et W2 des vecteurs-observateur précités. Connaissant alors la distance d, il devient possible de calculer les composantes des vecteurs-observateur dans le repère observateur, en d'autres termes d'effectuer des calculs relatifs aux vecteurs L1 et L2 dans le repère tridimension- nel lié à l'observateur. On calcule tout d'abord les composantes de ces vecteurs-observateur, à savoir U1, V1, W1 pour et et U2, V2, W2 pour 4 . Comme les composantes selon U et V sont tirées de celles du repère image bidimensionnel, il suffit de multiplier par exemple la composante U1* par le facteur de distance d pour obtenir la composante U1. Cette façon de faire est illustrée à l'intérieur du bloc 61 de la figure 6. On rappelle à cet égard que les facteurs d'échelles Ku et K v sont déjà inclus respectivement dans les composantes selon U et V. Les troisièmes composantes W1 et W2 sont à leur tour calculées selon les relations indiquées dans le bloc 61, étant observé que leur signe est encore inconnu. il en résulterait normalement quatre possibilités. il faut à ce niveau exposer que inéquation bicarrée en d '(relation mathématique (1)), de même que l'expression de la troisième composante (W1; W2-) de chacun des deux vecteurs-observateur, sont obtenues à partir des observations suivantes : - les modules, et par conséquent les carrés scalaires des deux vecteurs L1 et L2 sont les mêmes dans le repère avion et dans le repère observateur; - le produit scalaire des deux vecteurs L1 et L2 est également le même dans ces deux repères. Ce produit scalaire ne diffère de celui des deux vecteurs lî et 12 dans le repère écran ou image, que par la contribution des troisièmes composantes W1 et W2 (abstraction faite des facteurs de proportionnalité sur les deux premières composantes). 2 2 Par élimination de W1 et W2 entre les trois relations ainsi obtenues à partir de ces égalités, on trouve l'expression du facteur de distance telle qu'elle est donnée à l'intérieur du bloc 50 de la figure 6. On en déduit alors les expressions de W1 et W2 telles que donn#ées à l'intérieur du bloc 61 de la même figure 6. Un lever d'ambiguité partiel sur W1 et W2 est opéré (62) en faisant la différence entre le produit scalaire pSA12 des vecteurs L1 et L2 dans le repère avion, et le produit scalaire maintenant connu des mêmes vecteurs dans la partie bidimensionnelle (U, V) du repère observateur, pour déterminer le signe du produit W1.W2. Suivant la valeur de ce produit, dont la relation de calcul est donnée à llintérieur du bloc 62, on détermine à l'opération 63 ou à l'opération 64 que W1 et W2 sont de même signe, ou bien de signe contraire,respectivement. L'opération 65 peut alors intervenir, sous la forme d'un enregistrement dans la mémoire 5 des coordonnées Ul, U2, V1, V2, module de W1, module de W2, et du signe du produit W1 W2. Après cette mémorisation, les vecteurs-observateur sont presque complètement définis dans ltespace, sous réserve d'une symétrie miroir autour du plan défini par les axes U et V, c'est-à-dire sur la figure 3, d'un plan parallèle à l'écran et passant par le point Mo. A ce stade, il est possible de choisir en connaissance de cause le signe de W1 et celui de W2, par exemple en vérifiant la continuité d'attitude d'une image à l'autre. En l'absence de telles informations, on fait une première hypothèse sur le signe de W1, donc de W2. C'est ce que matérialise le bloc 66 de la figure 7. Comme on le verra in fine, si cette première hypothèse n'est pas vérifiée, on change le signe , et l'ensemble des opérations 67 à 80 de la figure 7 sont répétées. Une fois sue les signes W1 et W2 ont été choisis ou déterminés, intervient l'opération 67 qui réside en le calcul des composantes U3, V3 et W3 du produit vectoriel L)/s L2 cette 2 fois dans le repère observateur Ro. L'expression classique de ces composantes figure à l'intérieur du bloc 67. On peut alors construire une matrice notée Mot carrée d'ordre 3, et dont les lignes sont respectivement constituées des composantes de g , 4 ,ainsi que de leur produit vecto- riel dans le repère observateur. Cette matrice est écrite à l'intérieur du bloc 71. Ce bloc marque le début de l'étape de détermination des composantes des axes du repère observateur dans le repère avion, notée 70 sur la figure 4. L'étape 71, à partir de la matrice Mot détermine l'inverse de cette matrice carrée d'ordre 3, lequel inverse est noté o- Après-cela, l'opération 72- retrouve en mémoire la matrice Ma puis effectue le produit de la matrice inverse de Mo par la matrice Ma. Cette matrice M p définit entièrement la transformation géométrique qui permet, par deux rotations successives, de passer du repère avion au repère observateur. Pour les seuls besoins de la détermination d'attitude, il suffit de calculer une partie de la matrice produit Mp. En effet, l'étape 80 des figures 4 et 7 effectue le calcul de l'attitude, à savoir des angles O et ° à partir des éléments de la matrice qui sont mentionnés à l'intérieur du bloc 80. Pour noter chacun de ces éléments, le symbole de la matrice Mp est suivi de parenthèses dans lesquelles le nremier chiffre illustre la liqne où se trouve l'élément, et le second chiffre la colonne où se trouve l'élément. il est prévu ensuite, dans l'exemple décrit sur la figure 7, une opération de test 81 consistant à déterminer si l'attitude de l'avion trouvée est vraisemblable. Lors des cas comme celui d'un aéronef, l'homme de l'art sait en effet, à partir de la trajectoire de l'avion, déterminer si l'attitude de celui-ci est vraisemblable ou non. Si elle ne l'est pas, il peut alors produire au niveau de l'opération 82 un ordre de changement du signe de W1 et par conséquent de W2, qui est suivi d'un retour à l'opération 66. oins le cas où l'attitude est vraisemblable, on peut passer à la génération de silhouette qui fait intervenir les moyens matériels de la figure 8, et les opérations illustrées sur la figure 9 On notera au passage que la génération de silhouette peut contribuer à la détermination de la vraisemblance de l'attitude de l'avion. En ce cas, les opérations de test 81 et 82 pourraient être reportées à la fin du schéma de la figure 9. En partie haute de la figure 9 sont rappelés les éléments de base de cette génération de silhouette. Ces éléments de base comprennent tout d'abord la valeur numérique du facteur de distance d, ensuite la valeur numérique de chacundes neuf éléments de la matrice carrée d'ordre 3 Mp, et enfin les valeurs numériques des composantes de vecteurs de base 3 (avec j variant de 1 à N), telles qu'enregistrées dans le modèle géométrique numérique de l'aéronef, ou que tirées de celui-ci par les relations définies à l'étape 21 (figure 5) L. = P.P. où P. = Mo est l'un des trois points choisis. 3 1 i Sont également utilisées les coordonnées (uO, vO) du point m, image de Mo qui servira ici de pivot pour l'illustration des différents autres points de la silhouette. La première étape 91 de la généralisation de la silhouette consiste en la détermination des composantes de chacun des vecteurs L. selon les axes U et V. Pour cela, on construit à chaque fois le produit scalaire ut. et W#., , à partir des 3 3 expressions figurant dans le bloc 91, et selon les notations déjà définies en ce qui concerne les éléments de la matrice Mp il reste alors (étape 92) à déterminer les coordonnées u. et 3 vj de chacun des points de la silhouette, à partir du pivot (uO, vO), en divisant à chaque fois le produit scalaire concerné par le facteur de distance d, et le facteur d'échelle ku ou kv concerné. Les relations exactes sont écrites à l'intérieur du bloc 92. Les informations numériques u. et v. ainsi obtenues à chaque 3 fois sont alors appliquées comme signal de commande pour produire des points aux emplacements correspondants sur l'écran du tube cathodique du moniteur de télévision. Le bas de la figure 9 illustre ceci, sur la base du point pivot (uO, vO), et de l'un (u;, v.) des points de la silhouette. La silhouette se trouve ainsi ramenée de manière précise aux dimensions du repère écran R = (u, v). e Dans le cas de la télévision; l'incrustation des points de la silhouette dans la trame, aux lignes et aux emplacements définis par les valeurs numériques issues du calculateur, peut se faire à l'aide d'un interface électronique comprenant une horloge, des compteurs, et des registres tampons, ou encore par une carte d'interface entre un calculateur et un moniteur de télévision, de telles cartes étant disponibles dans le commerce,et pouvant être associées à un mélangeur de de signaux de télévision. Un calculateur capable de fonction élémentaire de calculs numériques, vectoriels et matriciels, en coopération avec une mémoire de taille raisonnable, permet d'effectuer l'ensemble des opérations qui viennent d'être décrites, en liaison naturellement avec l'organe de prise de vue, et les moyens d'acquisition des marqueurs. Une solution plus sophistiquée consiste à numériser dès l'origine les signaux de luminance issus de la caméra de télévision, à en faire faire directement l'acquisition par le calculateur, qui peut alors déterminer lui-même les marqueurs par les techniques connues d'analyse d'image, en faire l'acquisition, tel que définie à l'étape 30 de la figure 4, et poursuivre ensuite les autres opérations jusques et y compris la génération de la silhouette. Un simple oscilloscope peut alors recevoir à travers un interface numérique/ analogique d'une part l'image numérisée telle que définie par la caméra, et d'autre part la silhouette synthétique telle que produite par le calculateur. Bien entendu, la silhouette n'a pas nécessairement à être superposée ou incorporée à l'image initialement obtenue à partir de l'organe de prise de vue. Cela s'applique notamment à la version optique de projection en 1 d'une image sur l'écran. La silhouette engendrée peut alors être visualisée sur un autre support que l-'écran-recevant l'image réelle de l'avion. Cet autre support peut d'ailleurs être un écran électronique, à savoir un oscilloscope ou moniteur de télévision placé à côté de 11 écran optique. En engendrant ainsi une silhouette de l'avion, on constatera des différences entre l'image réelle et la silhouette. Ces différences peuvent être attribuées à une mauvaise reconstitution des grandeurs d'attitude et de distance. il faut alors recommander le choix des positions des marqueurs, c'est-à dire le choix initial des vecteurs e à l'étape 10 de la 3 figure 4. Ces différences peuvent t#ir##u#si#à#une modélisation imparfaite ou incomplète de la cible. Elles peuvent alors, après obtention d'un nombre suffisant d'informations sur différentes paires de vecteurs comme Lj, L2, être mises à profit pour enrichir le modèle de connaissance de la cible. Elles peuvent encore tenir à des déformations de la cible par rapport au modèle rigide. Le procédé et le dispositif de l'invention servent alors à étudier les déformations d'une structure en fonction de contraintes de fonctionnement Cette application concerne notamment les essais en vol et les mesures sur maquettes en souffleries aérodynamiques. Une autre application selon l'invention réside en la visua lisation de silhouettes dites longitudinales. il est en effet utile, pour certains problèmes d'imagerie, d'obtenir une silhouette de la cible dans un plan contenant la direction d'observation 2, et un vecteur t choisi par l'uti- lisateur (ou d'obtenir une famille de telles silhouettes). Gr#ce à la reconstitution d'attitude, cette silhouette peut être engendrée par exemple dans le plan Re de l'écran, d'après les relations Uj = k. Lj. W 3 vj = k. k. Lj (W#(T#W) =1, N k facteur d'échelle le vecteur tayant pour composantes M (3,1), M (3,2), Mp(3,3). p p p La simplicité de ces relations est telle qu'elles peuvent être aisément prises en compte par le même calculateur que précédemment. L'utilisateur peut choisir autant de vecteurs qui lui convient, ce qui définit bien sûr une famille de silhouettes longitudinales. La visualisation de cette silhouette ou de cette famille de silhouettes longitudinales se fait aisément sur un écran, en adoptant l'un des moyens proposés ci-dessus, étant observé que le problème de avecî'imag#n1origine ne se pose pas. Les expérimentations menées par le Demandeur ont montré que, d'une manière générale, lorsque l'image de l'avion présente unw surface relative suffisante par rapport à celle de l'écran (d savoir au moins quelques %, ce qui fait interve nir les dimensions de l'avion, la distance, le grossissement, et les conditions de visibilité), la précision des résultats est de l'ordre de 18 en distance et de 10 en attitude. Bien entendu, des procédures statistiques notamment de lissage/filtrage sur l'ensemble des mesures permettront d'améliorer substantiellement la précision des résultats.

Claims: Revendications. 1. Procédé pour déterminer l'attitude d'un objet dans l'es- pace,par rapport à un poste d'observation, à partir d'une image sensiblement plane de cet objet, prise du poste d'observation (1), caractérisé par les étapes consistant à a/ enregistrer, au préalable, une représentation numérique d'un modèle géométrique de l'objet, cette représentation numérique comprenant la mise en mémoire des coordonnées mesurées dans un repère tridimensionnel lié à l'objet d'au moins trois points optiquement reconnaissables de l'objet, et non alignés (5), b/ définir à partir de cette représentation numérique au moins deux vecteurs-ob,et (10), obtenus en reliant deux de ces points au troisième, et dont les composantes sont mesurée dans ce repère tridimensionnel, c/ déterminer le module de chacun de ces vecteurs-objet, ainsi que le produit scalaire des deux vecteurs-objet (20), d/ analyser l'image (30), pour y retrouver ces trois points, ainsi que pour relever leurs coordonnées dans le plan de l'image, e/ définir, à partir de ces coordonnées deux vecteurs image (40) correspon int aux deux vecteurs-objet et dont les composantes sont ainsi mesurées dans un repère bidimensionnel lié à l'image, fi faire correspondre à ces deux vecteurs-image deux vecteursobservateur, maintenant définis dans un repère tridimensionnel lié à l'observateur, chacun des vecteurs-observateur possédant deux composantes proportionnelles aux composantes associées du vecteur-image correspondant, le coefficient de proportionnalité dépendant des facteurs d'échelle respectifs, connus, relatifs à ces deux composantes par rapport à l'objet, ainsi qu'un facteur de distance inconnu, tandis que la troisième composante, inconnue, de chaque vecteurobservateur, est prise selon un axe orienté dans la direction de visée, g/ à partir de l'égalité entre les modules et produit scalaire des deux vecteurs-observateur et des deux vecteursobjet respectivement, déterminer sous forme de nombre réel le facteur de distance (50) ainsi que la troisième composante de chacun des deux vecteurs-observateur, ce qui définit complètement ces vecteurs-observateur dans l'espace. à une symétrie-miroir près, h/ déterminer les rotations permettant de passer du repère objet (70) au repère observateur, et i/en déduire les informations angulaires relatives à l'attitude de l'objet par rapport à l'observateur (80). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape h/ comprend les opérations suivantes - hIl construire numériquement une première matrice carrée d'ordre 3 constitutée des composantes des deux vecteursobservateur ainsi que de leur produit vectoriel dans le repère observateur, - h2/ déterminer numériquement l'inverse de la première matrice (71), - h3/ construire numériquement une seconde matrice carrée d'ordre 3 (25) constituée des composantes des deux vecteursobjet. ainsi que de leur produit vectoriel dans le repère objet, et - h4/ déterminer numériquement au moins la troisième ligne de la matrice qui est le produit de l'inverse de la première matrice et de la seconde matrice (72), et en ce que l'étape i/ consiste à déterminer lesdites informations angulaires à partir d'opérations trigonométriques effectuées sur dos éléments de la troisième ligne de la matrice produit (80). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'étape h/ consiste à déterminer les rotations permettant de passer du repère objet au repère observateur, et à lever l'ambiguité entre les-deux attitudes qui en résultent. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape a/ consiste à enregistrer une représentation numérique intéressant un nombre de points de l'objet nettement supérieur à 3, et en ce que l'étape b/ comprend la sélection d'au moins trois des points de cette représent#tion tour la construction d'au moins deux vecteurs-objet. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape (90) consistant à comparer à l'image de l'objet une silhouette construite à l'aide d'une partie au moins des points du modèle géométrique associé, soumis à une transformation génmétrique tenant compte des paramètres d'attitude, du facteur de distance ainsi que des facteurs d'échelle. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'à partir des différences entre l'image réelle et la silhouette qui lui est comparée, on affine le choix des points sélectionnés pour construire les deux vecteurs-objet, ou bien la modélisation de ces points, les opérations b/ à il étant répétées avec différents jeux de trois points prélevés à chaque fois dans la représentation numérique qui constitue le modèle géométrique de l'objet. 7. Appareillage pour déterminer l'attitude d'un objet dans l'espace par rapport à un poste d'observation, caractérisé en ce qu'il comporte - un organe de prise de vue (1), placé au poste d'observation visant dans la direction de l'objet (8) et fournissant une image sensiblement plane (2) de cet objet, - une mémoire numérique (5) propre R contenir les coordonnées, mesurées dans un repère tridimensionnel lié à l'objet, d'au moins trois points optiquement reconnaissables et non alignés de cet objet, ce qui définit un modèle géométrique de l'objet, - des moyens permettant l'analyse (3) de chaque image délivrée par l'organe de prise de vue, afin d'y retrouver ces trois points optiquement reconnaissables, et de déterminer leurs coordonnées dans le plan de l'image, - des moyens de traitement de données (4), propres à effectuer des calculs numériques, vectoriels et matriciels, sur les données mises en mémoire, et agencés pour * déterminer à partir des trois points du modèle géométrique deux vecteurs-objet (10) obtenus en reliant deux de ces points au troisième, les composantes de ces vecteurs-objet étant mesurées dans le repère tridimensionnel lié à l'objet, * déterminer le module de chacun de ces vecteurs-objet, ainsi que le produit scalaire des deux vecteurs-objet (20), * définir à partir des points retrouvés dans l'image les deux vecteurs-image correspondant aux deux vecteurs-objet et dont les composantes sont ainsi mesurées dans un repère bidimensionnel lié à l'image (40), * faire correspondre à ces deux vecteurs-image deux vecteursobservateur dans un repère tridimensionnel lié à l'observateur, chaque vecteur-observateur étant défini numériquement par deux composantes proportionnelles aux composantes associées du vecteur-image correspondant, le coefficient de proportionnalité dépendant des facteurs d'échelle, connus, intervenant respectivement entre l'objet et l'image selon chacune des composantes, ainsi que d'un facteur de distance inconnu, tandis que la troisième composante, inconnue, de chaque vecteur-observateur, est prise selon un axe orienté dans la direction de visée de l'organe de prise de vue, *-à partir de l'égalité entre les modules et produit scalaire des deux vecteurs-observateur et de deux vecteursobjet respectivement, déterminer numériquement sous forme de nombre réel le facteur de distance (50) ainsi que la troisième composante de chacun des deux vecteurs-observateur (60), * déterminer au moins les rotations permettant de passer du repère objet (70) au repère observateur, et * en déduire les informations angulaires relatives à l'attitude de l'obit (80). 8. Appareillage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de traitement de données sont de plus agencés pour déterminer les composantes du produit vectoriel des deux vecteurs-objet dans le repère objet et des deux vecteursobservateur dans le repère observateur, et en ce que la détermination des rotations permettant de passer du repère objet au repère observateur comprend la construction d'une première matrice carrée d'ordre 3 constituée des composantes des deux vecteurs-objet et de leur produit vectoriel dans le repère objet, l'inversion de cette première matrice, la construction d'une seconde matrice carrée d'ordre 3 constituée des composantes des deux vecteurs-objet et de leur produit vectoriel dans le repère objet, et la détermination numérique du produit de l'inverse de la première matrice par la seconde, les informations angulaires d'attitude se déduisant de la troisième ligne de la matrice produit. 9. Appareillage selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le modèle géométrique intéresse un nombre de points de l'objet nettement supérieur à trois, et en ce que les moyens de traitement de données sont en outre agencés pour construire, à partir de ce modèle et desdites rotations une silhouette de l'objet qui soit directement comparable à l'image délivrée par l'organe de prise de vue. 10. Appareillage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens 16. 7) tour superposer la silhouette à l'image définie par les moyens de prise de vue.

Inventors: GARNIER, GERARD, STARON, MICHEL, Garnier, Gérard
Applicants: OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES  (O.N.E.R.A.)
Application year: 1984
Main classification: G01C11
IPC codes: G01C11, G06T7