FR2764397A1

FR2764397A1 - Procede et dispositif de prises de vues spheriques pour la realisation d'une matrice d'images 3d d'un objet

Info

Publication number: FR2764397A1
Application number: FR9707113A
Authority: FR
Inventors: Eric Belmon
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1997-06-09
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 1998-12-11
Anticipated expiration: 2017-06-09
Also published as: WO1998056543A1; EP0917503A1; FR2764397B1; US20030081951A1

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de prise de vues sphériques destinés à réaliser une succession d'images numériques autour d'un objet, en vue de permettre, ultérieurement, une observation tridimensionnelle de cet objet, par voie informatique. Elle permet, en particulier, la réalisation de films numériques représentant l'objet en rotation autour de son centre de rotation.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PRISES DE VEXES SPHERIQUES POUR
LA REALISATION D'UNE MATRICE D'IMAGES 3D D'UN OBJET
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne un procédé et un dispositif de prises de vues sphériques destinées à réaliser une succession d'images numériques autour d'un objet, en vue de permettre, ultérieurement, une observation tridimensionnelle de cet objet, par voie informatique. Elle permet, en particulier, la réalisation de films numériques représentant l'objet en rotation autour de son centre de rotation.

Etat de la technique
Un système de prises de vues sphériques est représenté sur la plaquette commerciale de la Société
PEACE RIVER STUDIOS, à Cambridge, USA. Ce système comporte une arche constituée d'un bras horizontal portant une caméra et monté sur deux leviers pivotant autour d'un axe commun. Au centre de cette arche, l'objet dont on cherche à effectuer les images est positionné sur un pied tournant autour d'un axe vertical. Un système informatique assure la commande de l'arche et de la caméra.

L'arche assure un déplacement en rotation de la caméra autour de l'objet et la caméra réalise plusieurs prises de vues de l'objet pendant ce déplacement. L'objet, pendant ce temps, tourne sur lui-même par l'intermédiaire du pied tournant.

Un premier inconvénient de ce système réside dans le réglage du bras horizontal sur lequel est fixée la caméra. En effet, le réglage du bras se fait à partir des deux leviers dont le mouvement est relativement irrégulier, ce qui amène un réglage peu précis, qui est cependant difficile et long à mettre en oeuvre. Ainsi, la taille de la trajectoire sphérique que l'on cherche à effectuer autour de l'objet est difficilement réglable.

Le second inconvénient de ce système réside dans l'éclairage. En effet, l'éclairage de l'objet, pour les prises de vues, est associé à la caméra, c est-à-dire qu'il varie lorsque celle-ci se déplace, ce qui peut créer des ombres différentes en fonction du déplacement de la caméra ainsi que des ombres dues à 1 'arche elle-même.

Un autre inconvénient de ce système réside dans le réglage manuel de la position de la caméra sur le bras horizontal. En effet, ce réglage se fait par rapport au centre de rotation de l'objet. Or, le centre de rotation de l'objet est prédéfini en fonction de la taille de la sphère et de la position de la caméra sur l'arche, et la position de ce centre de rotation n'est pas modifiable. Aussi, c'est l'objet lui-même qui est placé en fonction du centre de rotation (surtout lorsque l'objet est grand).

De plus, ce système présente un manque de précision en ce qui concerne le positionnement de l'objet par rapport à son centre de rotation, ce qui peut produire des images successives décalées.

D'autre part, la distance caméra-objet doit être réglée manuellement avant les prises de vues, ce qui est long et fastidieux à mettre en oeuvre et ne permet aucune adaptation possible en fonction de la taille de l'objet. La variation de la taille de l'objet sur l'image se fait grâce à un téléobjectif, ce qui conduit, comme le sait l'homme de métier, à des images dont les perspectives sont modifiées.

Ce système a, en outre, l'inconvénient de nécessiter un très grand volume réservé à son fonctionnement. En effet, l'arche se déplaçant dans son ensemble autour de l'objet, il est nécessaire d'avoir autour dudit objet un volume deux fois plus grand que la taille des leviers de l'arche.

Par ailleurs, l'encombrement important de ce système le rend difficilement transportable. Aussi, la Société PEACE RIVER STUDIOS a réalisé un système transportable, dans lequel la distance caméra-objet n est pas réglable et dont les résultats sont encore moins précis.

Exposé de l'invention
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients du système décrit précédemment. A cette fin, elle propose un procédé et un dispositif de prises de vues sphériques permettant de réaliser une succession d'images précises qui peuvent former un film montrant l'objet en rotation autour de son centre de rotation, pour permettre de visionner cet objet ultérieurement.

De façon plus précise, 1 invention concerne un procédé de prises de vues sphériques pour la réalisation d'une matrice d'images 3D d'un objet. Ce procédé se caractérise en ce qu'il consiste à
a) analyser, par rapport à un centre de rotation virtuel, le positionnement d'un bras articulé portant un moyen de prise de vues ; et centrer, par une analyse d'images, l'objet en fonction de son centre de rotation
b) positionner l'objet, selon une position de référence, sur un support rotatif autour d'un axe vertical
c) positionner un moyen de prise de vues selon une première position sur une trajectoire de base sphérique prédéfinie autour de l'objet ;
d) effectuer une première prise de vues de l'objet
e) déplacer l'objet d'un pas en rotation et effectuer une nouvelle prise de vues de l'objet ;
f) répéter l'étape e) jusqu a ce que l'objet soit revenu à sa position de référence
g) déplacer les moyens de prise de vues d'un pas sur sa trajectoire et effectuer une prise de vues de l'objet ;
h) répéter les étapes c) à h) jusqu a ce que le moyen de prise de vues ait parcouru toute sa trajectoire prédéfinie.

Avantageusement, le procédé de l'invention consiste tout d'abord en une étape al) d'initialisation et de mémorisation qui comporte les opérations suivantes
- définition des paramètres de l'espace dans lequel se trouve le bras articulé
- définition des paramètres de prise de vues
- définition de la trajectoire de la caméra autour de l'objet et du nombre de prises de vues..

Selon l'invention, le procédé comporte une étape a3) de
- modification éventuelle de la trajectoire proposée ; et
- mémorisation d'un scénario présent relatif à l'objet, à la trajectoire choisie, ainsi qu'aux paramètres définis.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé de l'invention consiste en une étape j) de traitement des prises de vues obtenues aux étapes b) à h) pour produire une matrice d'images 3D.

Ce procédé a l'avantage d'offrir un déplacement des axes du bras articulé entièrement programmé, ce qui permet d'obtenir des images toujours bien cadrées et, par conséquent, un film fluide.

De plus, la trajectoire que doit effectuer le bras articulé est redéfinie et éventuellement modifiée pour chaque objet à capturer (à mettre en images), ce qui permet la capture de toutes sortes d'objets, quelle que soit leur taille (par exemple, un véhicule automobile ou un insecte).

De plus, chaque scénario est mémorisé (on appelle "scénario", l'ensemble des circonstances relatives aux prises de vues d'un objet : trajectoire choisie, paramètres définis, etc.). Ultérieurement, ces scénarii mémorisés peuvent être recherchés en mémoire par l'utilisateur pour un nouvel objet à capturer dont la forme ressemble à celle d'un objet déjà capturé (mis en images). Chaque scénario mémorisé peut être modifié par l'utilisateur ; ce scénario modifié est à nouveau mémorisé par le système.

L'invention concerne également un système de prises de vues sphériques mettant en oeuvre le procédé décrit précédemment. Ce système comporte
- un support sur lequel est positionné l'objet et qui est apte à tourner autour d'un axe vertical, de manière à faire subir audit objet une rotation dans un plan horizontal
- un bras articulé à l'extrémité duquel est fixée de façon mobile, un moyen de prises de vues numériques et qui décrit, dans un plan vertical, une trajectoire sphérique ou une trajectoire sphérique modifiée, autour de l'objet
- des moyens de commande et de traitement assurant la commande et la synchronisation du bras articulé, du moyen de prises de vues et du support de l'objet, et le traitement des images réalisées par le moyen de prises de vues.

Avantageusement, le bras articulé comporte au moins deux segments articulés entre eux, selon deux axes horizontaux parallèles l'un à l'autre.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le bras articulé est monté sur un support vertical, mobile autour d'un axe vertical.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le bras articulé est monté sur un chariot mobile.

Selon l'invention, le support de l'objet est monté sur une table de déplacement.

Ce système a l'avantage d'etre relativement peu encombrant, ce qui lui permet d'être transportable sur site pour réaliser les matrices d'images à l'endroit où sont situés les objets dans le cas, par exemple, d'objets fragiles ou volumineux, ou bien d'objets précieux, ou encore dans le cas d'une grande quantité d'objets à capturer.

Ce système présente, de plus, un avantage dans le fait que le moyen de prises de vues (par exemple, une caméra vidéo) est libre au bout du bras articulé, et peut ainsi se trouver n'importe où autour de l'objet, dans la limite bien sûr du rayon proposé par le bras articulé.

Brève description des figures
- La figure 1 représente schématiquement le système de l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement le diagramme fonctionnel montrant les différentes étapes du procédé de l'invention.

Description détaillée de mode de
réalisation de l'invention
Sur la figure 1, on a représenté le système de prises de vues sphériques conforme à l'invention. Ce système comporte un bras articulé 1 comportant deux segments la et lb Ce bras articulé 1 peut comporter d'autres segments, selon les modes de réalisation.

A l'extrémité de ce bras articulé 1 est fixé, de façon mobile, un moyen de prises de vues qui peut être, par exemple, une caméra vidéo 2. Cette caméra 2 est fixée au bout du bras articulé par l'intermédiaire d'un axe de rotation le.

L'ensemble du bras articulé 1 est fixé sur un support 3 par l'intermédiaire d'un premier axe de rotation lc. Un second axe de rotation ld permet la rotation entre le segment la et le segment lb du bras articulé. Ces deux axes ld et lc sont horizontaux et parallèles l'un à l'autre.

Selon le mode de réalisation représenté sur cette figure 1, le support 3 du bras articulé 1 est un chariot muni d'une embase 3a sur laquelle est fixé le segment lb du bras articulé. Cette embase 3a est elle-même fixée sur le châssis 3b du chariot.

Selon un autre mode de réalisation, non représenté sur les figures, le bras articulé 1 peut être fixé, par l'intermédiaire d'un axe de rotation, sur un support vertical, tel qu'un fût, qui peut être lui-même mobile autour de son axe vertical.

Sur la figure 1, on a représenté une seule caméra vidéo 2. Toutefois, selon certains modes de réalisation de l'invention, le bras articulé 1 peut porter deux caméras vidéo qui permettent de donner certains effets aux images.

L'ensemble bras articulé/chariot/caméra est commandé à partir d'un système informatique 4 qui comporte une interface permettant à l'utilisateur de choisir, à chaque étape, un mode automatique ou un mode manuel que l'on décrira par la suite.

Sur la figure 1, l'objet que l'on cherche à capturer porte la référence 6. Sur l'exemple montré sur la figure 1, cet objet est une poupée. Cet objet étant de taille relativement petite, il est positionné sur un support vertical 5a qui est mobile autour de son axe, afin de permettre à l'objet 6 d'effectuer une rotation dans un plan horizontal. Avantageusement, ce support 5a est placé sur une table de déplacement 5b qui permet de déplacer l'ensemble support Sa/objet 6 dans le plan horizontal et/ou vertical, notamment pour centrer l'objet par rapport à la caméra vidéo 2, comme on le verra ultérieurement.

Sur l'exemple représenté sur la figure 1, l'objet 6 est de taille relativement petite ; il est donc placé sur un support mobile. Toutefois, lorsque l'objet à capturer est de taille plus importante, par exemple un véhicule automobile, il peut être placé soit sur un plateau tournant, soit directement sur le sol.

Sur cette figure 1, on a représenté en traits mixtes la trajectoire de la caméra 2 autour de l'objet, pour le cas particulier d'un objet 6 de petite taille placé sur le support 5a.

On comprend aisément que le déplacement de la caméra est facilement réglable, et donc que la taille du rayon de la trajectoire autour de l'objet 6 puisse être modifiée simplement, à partir du système informatique 4.

De plus, on voit sur cette figure 1 que ce système est relativement peu encombrant, lorsque le bras articulé est replié, et qu'il peut donc être transporté aisément sur site pour capturer des objets intransportables, par exemple, parce qu'ils sont fragiles, volumineux, ou précieux, ou simplement parce qu'ils sont en quantité importante et qu'il est plus aisé de transporter le système que de transporter tous les objets.

Sur cette figure 1, on n'a représenté aucun éclairage. En effet, ce système peut être mis en.oeuvre pour tous types d'éclairage habituels pour l'homme du métier. En effet, la caméra 2 étant portée uniquement par un bras articulé, le risque d'ombres sur l'objet est quasiment nul.

Sur la figure 2, on a représenté le schéma fonctionnel du procédé de prises de vues sphériques de l'invention.

La première étape al) concerne l'initialisation du système. Cette initialisation consiste, d'une part, à donner à l'ensemble système informatique/bras articulé, que l'on appelle également automate, des valeurs de paramètres et, en particulier, de paramètres relatifs à l'espace dans lequel se trouve l'automate. Par exemple, l'utilisateur fourni à l'automate des valeurs relatives à la hauteur sous plafond de la pièce dans laquelle il se trouve, de la distance entre les différents murs et du positionnement physique de l'automate dans cet espace. Ces paramètres permettent à l'automate de se repérer dans l'espace dans lequel il se trouve et de définir ses limites de sécurité.

Cette étape al) consiste également en l'initialisation des différents composants de l'automate et en la recherche physique de ses capteurs de référence.

Elle consiste, par ailleurs, à définir
- les paramètres de capture de l'automate et, en particulier : le nombre de niveaux, c'est-à-dire nombre de photos en hauteur (sur la trajectoire), le nombre de photos en circonférence, c'est-à-dire le nombre de photos de l'objet en rotation, et le choix des angles de capture
- les réglages de l'image réglage de l'acquisition des images : luminosité,
contraste, saturation, couleur, zoom, diaphragme,
vitesse d'obturation, focal, gain, réglage des
blancs réglage de la restitution : type d'image, format,
taille, compression de l'image, nombre de couleurs possibilité de verrouillage et d'enregistrement des
différents réglages et des configurations de
capture
- la définition du positionnement de l'objet : dimension entre la sphère et l'objet, hauteur entre le centre-objet et le sol, distance entre l'axe lc et le centre objet, distance entre la caméra et le centre-objet.

L'étape a2) du procédé consiste en une auto-analyse de conformité opérationnelle de l'automate d'après un centre de rotation virtuel qui peut être représenté, par exemple, par un point lumineux dans l'espace. Autrement dit, il s'agit d'une analyse d'images d'un centre de rotation virtuel (par exemple, par rapport à une LED), permettant à l'automate de savoir si ce centre de rotation virtuel est dans le même plan que lui. Si ce n'est pas le cas, l'automate soit se déplace, soit prévient qu'il doit être déplacé.

Cette étape a2) comporte, de plus, une opération de centrage de l'objet en fonction de son propre centre de rotation, appelé également "centre-objet". Ce centrage de l'objet est effectué, par une analyse d'images, à partir d'une mire ajustable contenue dans le système informatique. Ce positionnement, ou centrage, de l'objet en fonction de son propre centre de rotation peut être effectué soit manuellement par l'utilisateur, soit de façon automatique par le système qui déplace alors l'objet, grâce à la table de déplacement 5b. Ce centrage de l'objet se fait dans les trois dimensions.

Selon l'invention, l'utilisateur peut choisir la possibilité d'effectuer des captures semi-automatiques, c'est-à-dire des captures dans lesquelles le bras ne bouge que lorsqu'un ordre lui est envoyé par l'utilisateur, ce qui permet à l'utilisateur d'intervenir sur l'objet en cours de procédé.

Ces réglages de la capture, à savoir la définition des paramètres de résolution, du positionnement de l'objet, des réglages de l'image, et la possibilité de captures semi-automatiques, peuvent être effectués en mode manuel. Ils peuvent également être effectués en mode automatique. Le choix du mode est effectué, par l'utilisateur, au fur et à mesure de l'avance du procédé.

Dans le cas du mode automatique, c'est le système qui propose à l'utilisateur des séquences de captures et de réglages physiques en fonction de l'analyse qu'il a fait de l'objet (la taille ...).

L'utilisateur peut accepter ces propositions, ou les modifier (étape a3). Dans le cas de modifications, les scénarii sont mémorisés par le système (étape a3) de façon à créer une base de données. L'utilisateur peut donc déformer les trajectoires sphériques proposées initialement par le système et réutiliser, ces trajectoires déformées, lorsqu'un scénario ressemblant se présente ultérieurement.

En effet, selon la forme de l'objet à capturer, il peut être intéressant de modifier la forme de la trajectoire de base sphérique pour obtenir, par exemple, une trajectoire ellipsoidale, qui correspond mieux à la forme allongée de certains objets.

Lorsque tous les paramètres sont définis et que la trajectoire à effectuer par le bras articulé est également définie, on effectue le positionnement du support de l'objet selon une position de référence (étape b).

L'étape c) consiste ensuite à positionner la caméra selon une première position sur la trajectoire qu'elle aura à effectuer.

Lorsque ces positionnements du support et de la caméra sont effectués, on réalise une première prise de vues de l'objet (étape d).

Ensuite, l'objet est déplacé en rotation d'un pas (étape el) et une prise de vues de l'objet est effectuée (étape e2).

Lorsque ces étapes el) et e2) de déplacement et de prises de vues de l'objet sont réalisées, le système vérifie, dans une étape f), si l'objet est revenu à sa position de référence ou non.

Si ce n'est pas le cas, le procédé reprend à partir de l'étape el). Si c'est le cas, c'est-à-dire si l'objet est revenu à sa position de référence, alors la caméra est déplacée d'un pas sur sa trajectoire prédéfinie (étape gl) et une nouvelle prise de vues (étape g2) est effectuée.

Le système vérifie ensuite, dans une étape h), si la trajectoire a été entièrement parcourue par la caméra. Si ce n'est pas le cas, le procédé est repris à l'étape el) de déplacement de l'objet. Si c'est le cas, c'est-à-dire si la caméra à pris toutes les positions initialement prévues sur la trajectoire prédéfinie, alors une étape j) de traitement d'images est effectuée. Cette étape de traitement des images est classique et elle permet de réaliser, à partir de la matrice d'images obtenue, un film numérique montrant l'objet dans l'espace.

Toutes les différentes opérations décrites pour le procédé de l'invention peuvent être effectuées, soit manuellement par l'utilisateur, soit de façon automatique. C'est l'utilisateur lui-même qui choisit au fur et à mesure du déroulement du procédé s'il désire travailler en mode automatique, ou en mode manuel. Cela, ainsi que la possibilité de modifier les scénarii proposés par le système permet une grande souplesse du procédé avec, en particulier, un changement de trajectoire facilement réalisable en fonction de l'objet à capturer.

L'apprentissage proposé par le système permet un gain de temps considérable puisqu'il permet, lorsque l'on effectue la capture de plusieurs objets de formes globalement identiques, de reprendre des scénarii déjà mémorisés, ce qui évite la reprogrammation du système.

De plus, ce procédé permet une détermination précise du centre de rotation de l'objet, automatiquement, grâce à la mire incorporée dans le système. Le déplacement du bras articulé, entièrement programmé, et réalisé en fonction du centre objet, permet d'obtenir des images cadrées de façon précise et réalisées selon un pas régulier, d'où l'obtention d'un film simulant l'évolution fluide et régulière de l'objet dans l'espace.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de prise de vues sphériques pour la réalisation d'une matrice d'images 3D d'un objet, caractérisé en ce qu'il consiste à

a) analyser, par rapport à un centre de rotation virtuel, le positionnement d'un bras articulé portant un moyen de prise de vues ; et centrer, par une analyse d'images, l'objet en fonction de son centre de rotation

b) positionner l'objet, selon une position de référence, sur un support rotatif autour d'un axe vertical

c) positionner un moyen de prise de vues selon une première position sur une trajectoire de base sphérique prédéfinie autour de l'objet

d) effectuer une première prise de vues de l'objet ;

e) déplacer l'objet d'un pas en rotation et effectuer une nouvelle prise de vues de l'objet

f) répéter l'étape e) jusqu'à ce que

L'objet soit revenu à sa position de référence

g) déplacer le moyen de prise de vues d'un pas sur sa trajectoire et effectuer une prise de vues de l'objet ;

h) répéter les étapes c) à h) jusqu'à ce que le moyen de prise de vues ait parcouru toute sa trajectoire prédéfinie.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, tout d'abord, en une étape al) d'initialisation qui comporte les opérations suivantes

- définition des paramètres de l'espace dans lequel se trouve le bras articulé ;

- définition des paramètres de prise de vues

- définition de la trajectoire de la caméra autour de l'objet et du nombre de prises de vues.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape a3) de

- modification éventuelle de la trajectoire proposée ; et

- mémorisation d'un scénario relatif à l'objet, à la trajectoire choisie, ainsi qu'aux paramètres définis.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste en une étape j) de traitement des prises de vues obtenues aux étapes b) à h) pour produire une matrice d'images 3D.

5. Système de prise de vues sphériques mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte

- un support (5a) sur lequel est positionné l'objet (6) et qui est apte à tourner autour d'un axe vertical de manière à faire subir audit objet une rotation dans un plan horizontal

- un bras articulé (1) à l'extrémité duquel est fixé, de façon mobile, au moins un moyen de prise de vues numériques (2) et qui décrit, dans un plan vertical, une trajectoire sphérique ou une trajectoire sphérique modifiée, autour de l'objet ;

- des moyens de commande et de traitement (4) assurant la commande et la synchronisation du bras articulé, du moyen de prise de vues et du support de l'objet, et le traitement des images réalisées par le moyen de prise de vues.

6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bras articulé comporte au moins deux segments (la, lb) articulés entre eux selon deux axes (lc, ld) horizontaux parallèles l'un à 1 'autre.

7. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le bras articulé est monté sur un support vertical mobile autour d'un axe vertical.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que le bras articulé est monté sur un chariot mobile (3).

9. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le support de l'objet est monté sur une table de déplacement (5b).