BE1001439A3

BE1001439A3 - Procede de mesure dimensionnelle a haute vitesse et haute precision par camera a reseau photosensible.

Info

Publication number: BE1001439A3
Application number: BE8800165A
Authority: BE
Original assignee: Nationale Herstal Fn Sa Fab
Priority date: 1988-02-12
Filing date: 1988-02-12
Publication date: 1989-10-31

Abstract

Procédé d'analyse et de localisation, à haute vitesse et haute précision, de contours dans l'image d'un objet produite sur une caméra à réseau photosensible fournissant des mesures dimensionnelles précises, caractérisé en ce que le procédé consiste à échantilloner et numériser le signal vidéo (V) à une cadence égale à la fréquence d'horloge (H) de la caméra (2) ; à effectuer sur les valeurs numériques obtenues le calcul des différences du premier (D1) et du second (D2) ordre et à détecter le changement de signe parmi les valeurs successives des différences du second ordre (D2).

Description


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  Procédé de mesure dimensionnelle à haute vitesse et haute précision par caméra   ä     reseau   photosensible. Cette invention a pour objet un procédé de mesure de dimensions   ä   haute vitesse et à haute précision, utilisant une caméra ä r6seau photosensible. 



  En particulier, cette invention concerne un procédé permettant l'analyse et la localisation des contours d'une image d'un 
 EMI1.1 
 --obe-reproduite sur-l-e-d-elece-u-r-a-rs-eat-photosensible par- un éclairage   adequaat.   



  On a déjà constaté, que la précision de la mesure dimensionnelle par caméra est limitée par le flou, qui affecte le contour de l'image de l'objet. L'existence d'une zone de flou, dont la largeur   dépend à 1a   fois de l'éclairage, des caractéristiques et de la mise au point de-l'optique, crée en effet une indétermination sur la localisation des bords de l'image. 

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  Un-procd-cvnTTu-p-our--lever-ett-indeternrjrnatiron ecnrs. st"ä détecter les points de passage du signal vidéo, fourni par la camera,-pa-un-s euL de ten s ion determinee-I'-irneav-enent-de- ce procédé est que les résultants ainsi obtenus sont fortement affectés par les conditions d'éclairage et de localisation et par les aberrations de l'optique de la caméra. 



  Un autre procédé consiste en un traitement purement analogique du signal vidéo par double dérivation analogique et détection du passage par zéro. 



  Un inconvenient de ce procédé est qu'il implique des opérations analogiques (double dérivée et détection du passage par   zéro),   qui sont fort sensibles au bruit électrique inévitablement présent dans les signaux   vidéo.   et aux dérives des circuits électroniques réalisant 1es opérations 
 EMI2.2 
 analogiques na oga Un autre inconvénient de ce procédé connu est qu'en utilisant une caméra   ä   réseau photosensible, la granularité du signal vidéo.

   due à la succession de paliers correspondant aux différents éléments d'images, doit être éliminée par un filtre passe-bas, ce qui entraîne une perte d'information sur la forme des flancs du signal et donc sur la détermination des contours de   l'image.   Cette perte d'information est d'autant 

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 --plusgrande que le-flanc-esl :-raide-cest-a-d-irre-que l'Image - -- --- est intrinsèquement bonne. 



  L'invention a pour but un procédé supprimant les susdits inconvénients, ce procédé réalisant un traitement digital du signal vidéo, en temp8 réel, ce qui permet d'obtenir des informations précises et rapides sur les caractéristiques des pièces ä mesurer, sans dégradation du contenu d'information du signal vidéo. 



  La présente invention concerne un procédé de mesure de dimensions sans contacts, dont les avantages sont de permettre une grande précision, un débit de mesure élevé et une grande flexibilité. 
 EMI3.2 
 



  A cette fin, le procédé selon l'invention consiste --s-u-b-s t a n-t-i ellem e n t ä-c h a n trjl < Me r-et-n-mei sr-l e s Lga a l v i d eo- ä une cadence égale à la fréquence d'horloge de la caméra ; ä effectuer sur les valeurs numeriques obtenues le calcul des différences du premier et du second ordre et   ä   détecter le changement de signe parmi les valeurs successives des différences du second ordre. 



  Pour plus de carte, des exemples de réalisation du procédé    selon l'invention sont décrits ci-après, à titre illustratif   

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 gt noTi rstnrcir-avec-rfeTrence aux dee-ms-amrees,-da n s L d-n- lesquels la figure 1 représente le principe de la mesure de dimensions selon l'invention ; la figure 2 représente un signal vidéo fourni, suivant le principe de la mesure, par une caméra ; la figure 3 montre un réseau matriciel ; la figure 4 illustre un dispositif de mesure utilisant un réseau linéaire ; la figure 5 représente le calcul des différences premières et secondes ; la figure 6 illustre le principe d'interpolation ; la figure 7 illustre un procédé basé sur l'amplitude de la différence première pour l'élimination d'ondulations parasites dans un signal vidéo. 



  Comme représenté à la figure   l,   un objet   ä   mesurer   l,   de révolution axiale, est place devant une caméra 2 constituée d'un objectif 3 et d'un détecteur à réseau photosensible 4. 



  L'axe de   l'objet'a mesurer 1   est place dans le plan de mise au point 5 de la camera 2 de sorte que l'image de l'objet ä mesurer 1 est correctement focalisée sur la surface photosensible du détecteur   4.   
 EMI4.2 
 



  - -=- --- --= : -= -- -== : : : : : - ¯- : : : ¯c : : : : -- ---- 

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 EMI5.1 
 - Iedit-detecteur 4' (du-typis-CCD-CTD"ouä ptoodiodes"parr - - --exemple), est constitué d'un réseau matriciel, linéaire ou - circulaire de cellules-photosMsibes-f-captant chacuae un- élément d'image ou un pixel. 



  Dans une configuration préferentiel1e, afin de réduire l'effet d'une défocalisation de l'image, l'objet à mesurer 1 est éclairé par une source de lumière   collimatée   6, parallèle ä l'axe optique 7 de la caméra 2 et située derrière l'objet 1 par rapport   ä   celui-ci, de façon à former, non pas l'image de l'objet 1 sur le détecteur 4, mais bien l'image 8 de son ombre. Toutefois, il est clair que toute autre source d'éclairage, par exemple un éclairage par   l'avant,   est valable suivant l'invention. 



  L'image 8 observée par le réseau 4 est balayée ligne par 
 EMI5.2 
 - Hgn-e au moyem de eTTCUT-trs-eTenfrtTroTnhjires-non-representsss a l a-- figure 1. Lesdites cellules photosensibles sont, ä chaque balayage, lues l'une après 1'autre à une cadence déterminée par la fréquence d'horloge H de la camera 2. Le signal vidéo V qui est fourni, suivant le principe décrit ci-dessus, par la caméra 2 est, comme représenté à la figure 2, constitué d'une succession de paliers représentant chacun un pixel PI. C'est à partir de ces signaux   vidéo---V,   en utilisant le procédé selon 
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 =- - - - = -------- : =---=---- - : : : ; : : -- : : - l'invention, qu'on localise les bords de l'image. 

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  -D irs--1-e-Tcs d-n'd-6 t-edre u r-m a t r-i-c-i e l--9,--Tes--ce l tuls - -- - - ---- - - photosensibles sont disposées suivant un réseau de N lignes cont & naM-ehaune-M elements photosensibles,-eonune-represen à la figure 3. Le signal vidéo est obtenu en balayant successivement chaque ligne de la matrice. 



  Dans le sens du balayage, l'analyse de l'image, permettant la détection des bords et la mesure des dimensions peut se faire soit en temps   rée1,   soit en temps différé. En temps reel, les cellules photosensibles sont, à chaque balayage, lues l'une après l'autre et les calculs sont effectués sur les valeurs des pixels PI au fur et à mesure de leur numérisation, à la 
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 cadence d'horloge B de la caméra 2, assurant des mesures ä haute vitesse. En temps différé, les valeurs des pixels PI successifs sont mémorisées en vue d'un traitement ultérieur. 



  - Par-crcTirre-laaTyre-l'image permerrant Ta-äetection-aTes-- bords et les mesures de dimensions perpendiculairement au sens de balayage, nécessite la mémorisation des valeurs de pixels   a   chaque balayage : dans l'exemple de la figure 3, la dimension AB correspond   ä   un axe se trouvant   ä   hauteur des pixels d'indice i des lignes du reseau ; elle est obtenue en appliquant les algorithmes selon l'invention, aux valeurs des pixels (1, i)... (N, i) mémorisées au cours - du balayage complet de la matrice. 

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  - Dans--1-e-eas-d'un-lo-i---jes--cel-l-ul-e-s-photosensibles sont disposées suivant un réseau d'une seule -ligne. Pour analyser-l--i-m-a-ge---b-i-d-ime-n-a-ionnel-le 8 d'un objet-l-, à l'aide d'un réseau linéaire 10, on utilise un dispositif de translation comme représenté ä la figure 4 dans lequel l'objet ä mesurer 1, qui est situé entre le détecteur 4 à réseau lineaire 10 et la source de lumière collimatée 6, est placé dans une pince 11 mobile par rapport au réseau linéaire 10 et dans lequel le déplacement de 1'objet 1 devant le réseau linéaire 10 est enregistré par un capteur de position ou de déplacement 12 muni d'une unité 13 mesurant les positions 
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 successives de l'objet 1.

   Le relevé des indications du capteur 12, associe aux resultats du traitement de la ligne dimage par l'unite 14, est traité par une unité de reconstitution 15 des caractéristiques de l'image bidimensionnelle. 



  - tre-proeede de trairtement-ds-s-intrx-vrdo,-obteous seien une- des méthodes décrites ci-dessus, est maintenant exposé avec référence aux figures 5 ä 7. 



  Dans une premiere phase les signaux vidéo V, fournis par la caméra 2, sont convertis en signaux digitaux B à une cadence égale   ä   la fréquence d'horloge   H   de la caméra 2. 



  Dans une phase suivante,   representee ä la   figure 5, on effectue sur les valeurs numériques du signal digitisé B le 

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 EMI8.1 
 - c a-trc u l--d es- Hrf-f e rn c e s- premireres -D l-etr d-ess--d-i f-fr-em : ees secondes D2. 



  La différence première   DII   et seconde D21 s'effectue selon le procédé de l'invention en soustrayant de la valeur de chaque pixel PI la valeur du pixel   precedent   PI-1, respectivement, en soustrayant de chaque différence première DlI la valeur de la différence première précédant   DII-1.   



  Dans une phase suivante, on détecte le changement de signe des différences secondes successives D2. Les points Pl et P2 qui correspondent avec les changements de signe des différences secondes successives D2, représentent les bords de l'image 8. 



  Les dimensions D de l'image 8, et donc celles de   lobjet   1, sont   représentées   par le nombre de pixels PI   séparant   deux 
 EMI8.2 
 sont repr6sent6es par le nombre de pixels Pl 9 ( ! parant deux de par comptage des coups d'horloge B séparant deux détections de changements de signe des différences secondes D2. 



  Le facteur traduisant le nombre de pixels PI de l'image 8 en longueur physique de l'objet 1 peut   etre   prédéterminé soit par calcul du produit de la distance entre cellules voisines du réseau photosensible 4, c'est-a-dire une largeur de pixel PI, 
 EMI8.3 
 -- - -- - - -- - - : : : - - - - - --=-=---=et du grossissement de l'optique de la caméra ; soit par 

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 EMI9.1 
 - caT-fbration expeTmenIralede-Taparr-Ll-de nresure en ut Urisant- - - - ---- ----un objet avec au moins un diamètre connu. 



  - - -- La résolution obtenue sur la localisation des bords de l'image 8 par le   proeede decrit ci-dessus est de +/-1/2 largeur de   
 EMI9.2 
 pixel PI, et donc de +/-l largeur de pixel PI sur ses dimensions D. 



  Elle peut être améliorée par un procédé d'interpolation en temps reel permettant de détecter la localisation des bords à l'intérieur même d'un pixel PI, et done d'obtenir des mesures de dimensions avec une précision qui n'est plus limitée par la résolution intrinsique du   photodétecteur   4. Ce   procédé   d'interpolation est représenté à la figure 6. 



  Dans ce but, les valeurs D21-1 et D21 de la différence seconde 
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 - D-correspondant-au prxs-PE-use-avan) :-et juste apres-] re-- changement de signe sont mémorisées. On obtient ainsi un jeu de quatre valeurs numériques de la difference seconde D2, qui vont servir d'informations de base pour le procédé d'interpolation en temps réel. 



  C'est   ä   partir des valeurs absolues de D21-1 et D21 qu'on calcule un coéfficient   #, selon la relation :   

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 "/k/+3J-// On obtient les points P'l et P'2 délimitant les bords de l'image 8 en reportant au devant des points Pl et P2 correspondant au changement de signe, une fraction de largeur de pixel PI égale au coéfficient   ss.   



  Sur la figure 6, les points Pl et P2 représentent les bords de l'image 8 déterminés sans interpolation, et D est la dimension correspondante ;   P'l   et P'2 représentent les bords   déterminés   par interpolation, et   D'est 18   dimension corrigée. 
 EMI10.2 
 



  - Le-ag-a-1-v-bdeo-T-peüt presenter des-ond-uJat-inB-p-asrtes,-- dues par exemples à des variations spatiales de l'éclairage 6 ou à la presence de particules sur l'optique de la caméra 2, ce qui pourraient donner lieu ä des fausses détections de bords de pièce. Lesdites ondulations parasites ont la particularité de correspondre à des transitions moins franches que les transitions blanc-noir correspondant aux bords de la pièce observée 1. Tenant compte de cette pa-r-ticula-rité, -les 
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 fausses dtections peuvent etre evitees parun pro < Tédé--base sur l'amplitude de la difference première Dl.

   Dans ce cas, les 

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 EMI11.1 
 ""ctraTTgments de sigirede Tra-dirff'eTCTice seccrnde-D ne sont prrs- en consideration que si la valeur numérique des différences premières correspondantes D1 est supérieure à une   val-eut   limite F, laquelle peut   tre   fixée lors du réglage du système 
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 de mesure, ou exprimée en fraction du niveau maximum de signal reçu. Ce procédé est représenté ä la figure 7. 



  Les algorithmes décrits ci-dessus sont réalisables par tous les moyens de traitements digitaux traditionnels. 



  Il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées ä l'exemple susdécrit, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

Revendications. 1.- Procédé d'analyse et de localisation, ä haute vitesse et haute precision, de contours dans l'image d'un objet produite sur une camera ä réseau photosensible fournissant des mesures dimensionnelles précises, caractérisé en ce que le procédé consiste à échantilloner et numériser le signal video (V) à EMI12.1 une cadence égale ä la fréquence d'horloge (H) de la camera (2) ; à effectuer sur les valeurs numériques obtenues le calcul des différences du premier (Dl) et du second (D2) ordre et à détecter le changement de signe parmi les valeurs successives des différences du second ordre (D2).

2.-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que EMI12.2 f-g-r-e n c e-a- soustrayant de la valeur de chaque pixel (PI) la valeur du pixel précédent (PI-1).

3. - Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le calcul des différences secondes (D2) s'effectue en soustrayant de la valeur de chaque différence première (D1I) la valeur de la différence première précédante (D1I-I). <Desc/Clms Page number 13> EMI13.1

- r. Procede-s u irant-le-s-tnereTtdi-catroms l-a -caracteris-é-eTr- ---ce que les points (PI, P2) qui correspondent avec les changements de-si & n-e-d-e-s-d-i-f-feteaces secondes success-ies- (D2), représentent les bords de l'image analysée (8).

5. - Procédé suivant les revendications 1 ä 4, caractérisé en ce que les dimensions de la pièce (1) sont représentées par le nombre de pixels (PI) séparant les deux positions (Pl, P2) du bord de pièce (l).

6. - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le nombre de pixels (PI) est obtenu par comptage des coups d'horloge (H) séparant deux détections de changement de signe des différences secondes.

7. - Procédé suivant les revendications 1 ä 6, caractérisé en EMI13.2 - -e que-le nombre-d-e-ptx-e-s-P)-d-Lrmage (8) es t radurt-ea- longueur physique de l'objet (1) par calcul du produit de la distance entre cellules voisines du réseau photosensible (4) par un facteur prédéterminé, c'est-à-dire une largeur de pixel (PI), et du grossissement de l'optique de la caméra (2).

8. - Procédé 8uivant les revendications 1 ä 6, caractérisE en ce que le nombre de pixels (PI) de l'image (8) est traduit enlongueur physique de l'objet (1) par calibration expérimentale <Desc/Clms Page number 14> EMI14.1 - de-lj-a-p-p a-re-i I-d-e m-e-s u-r-e---e-n u t i 1 i s-a n t-u n- o-b-j-e-t-av e-C-- a. u-m 0 in s---u n--- diamètre connu.

9. - Procédé suivant les revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il présente un procédé d'interpolation, permettant de détecter la localisation des bords à l'intérieur mme d'un pixel (PI) et d'obtenir des mesures de dimensions avec une précision qui n'est pas limitée par la résolution intrinsèque du photodétecteur (4).

10. - Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le procédé d'interpolation consiste à calculer un coéfficient (o) représentant une fraction de largeur de pixel (PI), ä appliquer aux points (PI, P2) correspondant au changement de EMI14.2 signe des differenees secondes successives (D2). a n-t-1 a---r-e v e n d i c-a-t-i-o n-1-0, que le coefficient (#) représentant une fraction de largeur de pixel (PI) répond au quotient de la valeur absolue de la différence seconde (D2I) juste après le changement de signe et la somme de la valeur absolue de la différence seconde (D2I) juste après le changement de signe et la valeur absolue de la différence seconde (D2I-l) juste avant le changement de signe.

I2.- Procédé suivant les revendications 9 à 11, caractérisé en ce que les points (PI', P2') délimitant les bords de l'image <Desc/Clms Page number 15> EMI15.1 - (8)" determines-par-rnteTrpolatTOTn,-sont--obt-enus en report-airt ----- au devant des points (PI, P2) correspondant au changement de signe, une fraction de largeur de pixel (PI) égale --audit coéfficient.

13.- Procédé suivant les revendications 1 ä 12, caractérisé en ce qu'il présente un critère de vérification de la validité de la détection des changements de signe des différences secondes (D2).

14. - Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le critère de verification de la validité de la détection des changements de signe des differences secondes (D2) est basé sur l'amplitude de la différence première (Dl), et selon lequel les changements de signe de la différence seconde (D2) ne sont pris en considération que si la valeur numérique des EMI15.2 diff-erences-prem-i-è-e-D- & epo-nd-a-n-t-es e-st super-ieure-ä une valeur limite (F).

15. - Procédé suivant les revendications 1 ä 14, caractérisé en ce que le procédé s'effectue en temps réel.

16. - Procédé suivant les revendications 1 A 14, caractérisé en ce que le procédé a'e-f-fectue en-temps differé dans lequel le résultant de la numérisation du signal vidéo (V) est mémorisé, et relu ultérieurement pour subir les traitements numeriques. <Desc/Clms Page number 16> EMI16.1 su-i-vant-1"revend-icat-i-o-n-s--1-h---16-d-ans-lequel--l'image analysée (8) est produite sur le réseau photosensible - (-pr-u-n-objet-eclair par l'arrieLe-r---------- 18. - Procédé suivant les revendications 1 à 17, caractérisé en ce que le réseau photosensible (4) est matriciel. linéaire ou circulaire.

19. - Procédé suivant les revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la pièce (1) est déplacée devant un détecteur à réseau linéaire (10) au moyen d'un mécanisme de translation pour permettre le relevé du profil de la pièce.