FR2921478A1 - SYSTEM AND METHOD FOR ACQUIRING THREE-DIMENSIONAL CHARACTERISTICS OF AN OBJECT FROM IMAGES TAKEN BY A PLURALITY OF MEASURING ORGANS - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure. Ledit système, comportant une pluralité de supports sur chacun desquels est monté au moins l'un desdits organes de mesure, est caractérisé en ce que lesdits supports sont munis de moyens pour régler la position spatiale de chaque organe de mesure qui lui est solidaire et chaque support est positionné dans l'espace indépendamment des autres.The present invention relates to a system for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring members. Said system, comprising a plurality of supports on each of which is mounted at least one of said measuring members, is characterized in that said supports are provided with means for adjusting the spatial position of each measuring member which is integral therewith and each support is positioned in the space independently of the others.
Description
La présente invention concerne un système et une méthode d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure. Elle concerne également une méthode de calibration d'un tel système. The present invention relates to a system and method for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring members. It also relates to a calibration method of such a system.
Tout objet possède des caractéristiques tridimensionnelles qu'il est intéressant, pour certaines applications, de représenter par un modèle numérique tridimensionnel. Par exemple, il est intéressant d'obtenir un modèle numérique tridimensionnel d'un corps humain que ce soit pour des applications médicales ou pour des applications dans le domaine du vêtement pour n'en citer que quelques unes. Every object has three-dimensional characteristics that it is interesting for some applications to represent by a three-dimensional numerical model. For example, it is interesting to obtain a three-dimensional digital model of a human body whether for medical applications or for applications in the field of clothing to name a few.
La modélisation numérique d'un objet ne se limite pas à sa représentation géométrique complète mais peut être limitée à la représentation d'une partie de cet objet et notamment à l'aspect surfacique d'une partie de cet objet. Un système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet selon la présente demande consiste, de manière générale, à déterminer un modèle numérique tridimensionnel d'un objet à partir d'une pluralité d'images prises par une pluralité d'organes de mesure constitués chacun d'une caméra et d'une source de lumière, par application à au moins une partie des points de chacune de ces images, d'une transformée numérique permettant d'exprimer chacun de ces points dans un espace tridimensionnel déterminé. The numerical modeling of an object is not limited to its complete geometric representation but can be limited to the representation of a part of this object and in particular to the surface aspect of a part of this object. A system for acquiring three-dimensional characteristics of an object according to the present application generally consists in determining a three-dimensional numerical model of an object from a plurality of images taken by a plurality of measuring devices each consisting of a camera and a light source, by applying to at least a portion of the points of each of these images, a digital transform making it possible to express each of these points in a determined three-dimensional space.
Dans un tel système, chaque caméra a son propre champ visuel. Afin de pouvoir obtenir un modèle numérique tridimensionnel d'un objet, il est nécessaire que les caméras soient orientées en direction de cet objet de manière à ce que le champ visuel de chaque caméra soit au moins en partie commun avec celui d'au moins une autre caméra. La zone commune est alors appelée champ visuel commun à ces caméras. In such a system, each camera has its own visual field. In order to be able to obtain a three-dimensional numerical model of an object, it is necessary that the cameras are oriented towards this object so that the field of view of each camera is at least partly common with that of at least one camera. other camera. The common area is then called visual field common to these cameras.
L'une des difficultés de ce type de système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'objet résulte dans la définition de cette transformée numérique et de cet espace tridimensionnel. Ce problème est appelé par la suite calibration du système. Il est connu des systèmes d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure (WO/2007/102667). Dans ce type de système, la source de lumière d'un organe de mesure éclaire la partie de l'objet dont la caméra de cet organe de mesure prend une voire plusieurs images. One of the difficulties of this type of three-dimensional object acquisition system results in the definition of this digital transform and this three-dimensional space. This problem is subsequently called system calibration. It is known systems for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring devices (WO / 2007/102667). In this type of system, the light source of a measuring device illuminates the part of the object whose camera of this measuring device takes one or more images.
Ce type de système est calibré selon une méthode basée sur une pluralité d'images d'une mire, dite de calibration, prises par la pluralité d'organes de mesure. Une mire de calibration est un référentiel visuel, c'est-à-dire un objet dont au moins une face possède un ensemble de motifs qui forment par exemple un damier noir. Il existe des mires bidimensionnelles (2D) c'est-à-dire qu'un objet dont une seule de ses faces est utilisée comme référentiel visuel et des mires tridimensionnelles (3D) dont au moins deux de ses faces non coplanaires sont utilisées comme référentiel visuel. La construction d'une mire de calibration, qu'elle soit 2D ou 3D, doit être exécutée avec le plus grand soin car la qualité de la représentation numérique de l'objet, ou de l'une de ses parties, dépend, entre autre, de la différence des valeurs des positions géométriques relatives des motifs réalisés concrètement sur la mire et les valeurs théoriques de ces positions qui sont des hypothèses de départ de toute méthode de calibration de système. De manière générale, la méthode de calibration du système consiste à calibrer la caméra de chaque organe de mesure. La calibration d'une caméra, rappelée ci-dessous, est connue en soit. Elle consiste à localiser un référentiel visuel dans l'espace tridimensionnel de manière à pouvoir exprimer ensuite les coordonnées de ce référentiel visuel dans le repère de la caméra. Pour calibrer une caméra, un référentiel visuel est tout d'abord positionné à la vue de la caméra. Une image de ce référentiel visuel est alors prise par la caméra et des points Pmc caractéristiques du référentiel visuel sont détectés dans l'image ainsi prise. Les points PMC, une fois détectés sont alors mis en correspondance avec des points PM du référentiel visuel. On rappelle que les coordonnées des points PM sont préalablement connues. Cette mise en correspondance est généralement faite en projetant, suivant un axe perpendiculaire au plan image, les points PM sur ce plan image de la caméra de manière à exprimer les coordonnées des points PM dans le repère de la caméra. Ainsi, suite à cette mise en correspondance, on obtient la transformée numérique qui permet de déterminer un point PMC exprimé dans le repère de la caméra qui correspond à un point PM du référentiel visuel exprimé dans l'espace tridimensionnel. Cette transformée numérique est donnée par la relation suivante PMC=RMC * PM + TMC dans laquelle RMC et TMC désignent respectivement une matrice de rotation et de translation de la transformée numérique. This type of system is calibrated according to a method based on a plurality of images of a test pattern, called calibration, taken by the plurality of measuring devices. A calibration chart is a visual reference system, that is to say an object whose at least one face has a set of patterns that form, for example, a black checkerboard. There are two-dimensional (2D) patterns, that is to say, an object whose only one of its faces is used as visual reference and three-dimensional (3D) patterns of which at least two of its non-coplanar faces are used as a reference visual. The construction of a calibration chart, whether 2D or 3D, must be executed with the greatest care because the quality of the numerical representation of the object, or of one of its parts, depends, among others , the difference between the values of the relative geometrical positions of the patterns concretely realized on the test pattern and the theoretical values of these positions which are starting hypotheses of any system calibration method. In general, the calibration method of the system consists in calibrating the camera of each measuring device. The calibration of a camera, recalled below, is known in itself. It consists of locating a visual reference frame in the three-dimensional space so that it can then express the coordinates of this visual reference frame in the reference frame of the camera. To calibrate a camera, a visual repository is first positioned at the camera's view. An image of this visual reference frame is then taken by the camera and points Pmc characteristics of the visual reference are detected in the image thus taken. The PMC points, once detected, are then mapped to PM points of the visual reference frame. It is recalled that the coordinates of the points PM are previously known. This mapping is generally done by projecting, along an axis perpendicular to the image plane, the points PM on this image plane of the camera so as to express the coordinates of the points PM in the reference of the camera. Thus, following this mapping, the digital transform is obtained which makes it possible to determine a point PMC expressed in the reference of the camera which corresponds to a point PM of the visual reference frame expressed in the three-dimensional space. This digital transform is given by the following relation PMC = RMC * PM + TMC in which RMC and TMC respectively denote a matrix of rotation and translation of the digital transform.
Une telle méthode de calibration est généralement mise en oeuvre en usine et le système d'acquisition, alors calibré pour des positions spatiales, relatives et précises des différents organes de mesure, doit, pour respecter ces positions, être muni de moyens pour lier mécaniquement entre eux ces différents organes de mesure. Le système d'acquisition peut alors être démonté, transporté puis remonté pour être utilisé sans pour cela devoir être re-calibré. Si au premier abord ce type de système semble attrayant, il présente néanmoins un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, du fait de la multiplicité des moyens de liaison entre organes de mesure, le transport du système n'est pas facile du fait, notamment, du poids des différents éléments du système et de leur encombrement. De plus, l'installation de ces systèmes est longue du fait qu'il est nécessaire de monter toute une structure mécanique pour relier les différents organes de mesure entre eux et qui plus est cette structure doit, le plus souvent, être fixée au sol afm de s'assurer du positionnement spatial précis des organes de mesure les uns par rapport aux autres. Such a calibration method is generally implemented in the factory and the acquisition system, then calibrated for spatial, relative and precise positions of the various measuring devices, must, to respect these positions, be provided with means for mechanically linking between them these different measuring devices. The acquisition system can then be dismantled, transported and reassembled to be used without having to be re-calibrated. If at first sight this type of system seems attractive, it nevertheless has a number of disadvantages. First, because of the multiplicity of connecting means between measuring devices, the transport of the system is not easy due in particular to the weight of the various elements of the system and their size. In addition, the installation of these systems is long because it is necessary to mount a whole mechanical structure to connect the different measuring devices to each other and moreover this structure must, most often, be fixed to the ground afm to ensure precise spatial positioning of the measuring devices relative to each other.
Tout cela, afin de pouvoir utiliser le jeu de paramètres de la transformée numérique calculé en usine, et d'éviter de grossières erreurs lors de la détermination du modèle numérique tridimensionnel de l'objet ou de l'une de ses parties. L'espace tridimensionnel de tels systèmes, défini par le positionnement relatif des différents organes de mesure, est figé du fait de la détermination en usine de la calibration du système. Ainsi, l'utilisation de ce type de système est limitée aux objets dont la taille maximale est fixée par les dimensions de cet espace tridimensionnel. Ce qui est peu attractif pour un utilisateur qui souhaite avoir un système à champ variable, c'est-à-dire un système dont les dimensions de l'espace tridimensionnel peuvent s'adapter aux dimensions des objets à représenter. All this, in order to be able to use the parameter set of the factory-calculated digital transform, and to avoid gross errors when determining the three-dimensional numerical model of the object or one of its parts. The three-dimensional space of such systems, defined by the relative positioning of the different measuring devices, is frozen due to the factory determination of the calibration of the system. Thus, the use of this type of system is limited to objects whose maximum size is fixed by the dimensions of this three-dimensional space. This is unattractive for a user who wishes to have a variable field system, that is to say a system whose dimensions of the three-dimensional space can adapt to the dimensions of the objects to be represented.
Le problème résolu par l'invention est de déterminer un système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure qui soit à champ variable, facilement transportable et rapide à installer. A cet effet, la présente invention concerne un système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure. Ledit système comportant une pluralité de supports sur chacun desquels est monté au moins l'un desdits organes de mesure, est caractérisé en ce que lesdits supports sont munis de moyens pour régler la position spatiale de chaque organe de mesure qui lui est solidaire et chaque support est positionné dans l'espace indépendamment des autres. Selon une autre caractéristique du système, chaque organe de mesure comporte une caméra entraînée en rotation autour d'un axe par un moyen d'entraînement, une source de lumière entraînée en rotation autour d'un autre axe par un autre moyen d'entraînement et un moyen de couplage prévu, lorsque au moins un des deux dits moyens d'entraînement est activé, pour que la valeur d'un angle, défini entre l'axe de la caméra et l'axe du faisceau lumineux émis par la source de lumière, reste constante selon un premier mode de fonctionnement dudit moyen de couplage et soit modifiable selon un second mode de fonctionnement dudit moyen de couplage. Selon un mode de réalisation, ledit moyen de couplage comporte un engrenage reliant les deux dits moyens d'entraînement qui est associé à un moyen de débrayage de préférence manuel. Selon un mode de réalisation, la source de lumière est une source de type 15 visible, infrarouge, laser ou ultraviolet. Selon un mode de réalisation, la caméra est une caméra CCD. La présente invention concerne également une méthode de calibration d'un système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure conforme à l'un des modes de 20 réalisation précédents. Ladite méthode consiste à placer une mire tridimensionnelle de telle sorte qu'au moins l'une de ses faces soit vue par chaque organe de mesure du système, chaque caméra prend une image de la face de la mire qui lui est visible, des points caractéristiques de ladite face sont détectés dans l'image ainsi prise, les points détectés sont alors mis en correspondance avec des points de ladite face, et à partir de 25 ladite mise en correspondance est obtenue une transformée numérique qui permet de déterminer un point exprimé dans le repère de la caméra qui correspond à un point de ladite face exprimé dans l'espace tridimensionnel. La présente invention concerne, de plus, une méthode d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité 30 d'organes de mesure d'un système conforme à l'un des modes de réalisation précédents. Le moyen de couplage de chaque organe de mesure fonctionnant selon son premier mode, la caméra de chaque organe de mesure étant calibrée, ladite méthode comporte une étape d'initialisation au cours de laquelle les organes de mesures du système de mesure sont positionnés autour de l'objet, chaque caméra est positionnée en rotation, a) une étape au cours de laquelle une image est prise par chaque caméra. b) une étape au cours de laquelle au moins un des moyens en rotation positionne chaque caméra à une autre position, c) une étape au cours de laquelle une image est prise par chaque caméra, d) une étape de décision au cours de laquelle il est testé si de nouvelles images de l'objet doivent être prises, dans l'affirmative, les étapes b) à d) sont itérées, dans la négative, une étape au cours de laquelle le modèle numérique tridimensionnel de l'objet est calculé à partir des images prises et de la transformée numérique relative à chaque caméra. Enfin, la présente invention concerne une mire tridimensionnelle destinée à être utilisée dans une méthode de calibration conforme à un mode de réalisation précédent. La mire est caractérisée en ce qu'elle comporte trois faces non coplanaires de surfaces rectangulaires maintenues en position verticale par deux couvercles de surface triangulaire disposées de manière à ce que chaque arête verticale de chacune des trois faces soit jointive à l'arête verticale d'une autre desdits trois faces. The problem solved by the invention is to determine a system for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring elements which is variable field, easily transportable and quick to install. For this purpose, the present invention relates to a system for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring members. Said system comprising a plurality of supports on each of which is mounted at least one of said measuring members, is characterized in that said supports are provided with means for adjusting the spatial position of each measuring member which is integral therewith and each support is positioned in space independently of others. According to another characteristic of the system, each measuring element comprises a camera driven in rotation about an axis by a driving means, a light source driven in rotation about another axis by another driving means and coupling means provided, when at least one of said two drive means is activated, so that the value of an angle, defined between the axis of the camera and the axis of the light beam emitted by the light source remains constant according to a first mode of operation of said coupling means and is modifiable according to a second operating mode of said coupling means. According to one embodiment, said coupling means comprises a gear connecting said two drive means which is associated with a preferably manual disengaging means. According to one embodiment, the light source is a visible, infrared, laser or ultraviolet type source. According to one embodiment, the camera is a CCD camera. The present invention also relates to a method of calibrating a system for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring elements according to one of the preceding embodiments. Said method consists in placing a three-dimensional pattern so that at least one of its faces is seen by each measuring device of the system, each camera takes an image of the face of the pattern that is visible to it, characteristic points of said face are detected in the image thus taken, the detected points are then mapped to points of said face, and from said mapping is obtained a digital transform which makes it possible to determine a point expressed in the camera landmark that corresponds to a point of said face expressed in three-dimensional space. The present invention further relates to a method of acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring members of a system according to one of the preceding embodiments. The coupling means of each measuring element operating in its first mode, the camera of each measuring member being calibrated, said method comprises an initialization step during which the measuring elements of the measuring system are positioned around the object, each camera is positioned in rotation, a) a step during which an image is taken by each camera. b) a step during which at least one of the rotating means positions each camera at another position, c) a step during which an image is taken by each camera, d) a decision step during which it is tested if new images of the object are to be taken, if so, steps b) to d) are iterated, if not, a step in which the three-dimensional numerical model of the object is calculated at from the images taken and the digital transform relating to each camera. Finally, the present invention relates to a three-dimensional pattern for use in a calibration method according to a previous embodiment. The pattern is characterized in that it comprises three non-coplanar faces of rectangular surfaces held in vertical position by two triangular surface covers arranged so that each vertical edge of each of the three faces is contiguous to the vertical edge of another of said three faces.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 qui représente un schéma d'un mode de réalisation d'un système d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure selon la présente invention, la Fig. 2 qui représente un schéma d'un mode de réalisation d'un organe de mesure, la Fig. 3a qui représente un organe de mesure lorsque l'un des moyens d'entraînement en rotation a été activé et que le moyen de couplage fonctionne selon son premier mode, la Fig. 3b qui représente un organe de mesure lorsque l'un des moyens d'entraînement en rotation a été activé et que le moyen de couplage fonctionne selon son second mode, la Fig. 4 représente un diagramme des étapes d'une méthode d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet, mise en oeuvre par le système, les Fig. 5a, 5b et 5c représentent une illustration d'un mode de réalisation de la méthode pour calibrer la caméra de chaque organe de mesure du système de la Fig. 1, et la Fig. 6 représente schématiquement un mode de réalisation d'une mire tridimensionnelle selon la présente invention. La Fig. 1 représente un schéma d'un mode de réalisation d'un système S d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet O à partir d'images prises par une pluralité d'organes de mesure selon la présente invention. Selon l'exemple de la Fig. 1, six organes de mesure Oi,j (i=1 à 3, j=1 à 2) sont représentés. Chaque organe de mesure Oi,j comprend une caméra C et une source de lumière L. De plus, chaque organe de mesure Oi,j est solidaire d'un support qui le maintient en position de manière stable. Selon l'exemple de disposition de la Fig. 1, sont utilisés trois supports Si (i=1 à 3), situés approximativement à 120° les uns des autres, réglables en hauteur et sur chacun desquels sont montés superposés deux organes de mesure Oi, l et Oi,2. Chaque support Si est, par exemple, un pied d'appareil photographique. De manière générale, l'invention s'applique à tous types de supports munis de moyens pour régler la position spatiale d'un organe de mesure qui lui est solidaire, que ces moyens soient prévus pour positionner en rotation ou en translation l'organe de mesure par rapport à son support. De plus, l'invention ne se limite pas à deux le nombre d'organes de mesure par support, ni à trois le nombre de supports du système et ni au fait que les organes de mesure soient superposés les uns sur les autres mais s'étend à toute autre nombre et disposition de ces organes de mesure qu'ils soient sur un support posé sur le sol ou suspendu afin que ces organes de mesure prennent des images du dessous, du dessus et/ou de côté d'un objet à représenter. Selon une autre caractéristique du système, chaque support est positionné dans l'espace indépendamment des autres. The characteristics of the invention mentioned above, as well as others, will appear more clearly on reading the following description of an exemplary embodiment, said description being made in connection with the attached drawings, among which: FIG. . 1 which shows a diagram of an embodiment of a system for acquiring three-dimensional characteristics of an object from images taken by a plurality of measuring members according to the present invention, FIG. 2 which shows a diagram of an embodiment of a measuring member, FIG. 3a which represents a measuring member when one of the rotating drive means has been activated and the coupling means is operating in its first mode, FIG. 3b which represents a measuring member when one of the rotational driving means has been activated and the coupling means is operating in its second mode, FIG. 4 represents a diagram of the steps of a method for acquiring three-dimensional characteristics of an object, implemented by the system, FIGS. 5a, 5b and 5c are an illustration of an embodiment of the method for calibrating the camera of each measuring member of the system of FIG. 1, and FIG. 6 schematically represents an embodiment of a three-dimensional pattern according to the present invention. Fig. 1 is a diagram of an embodiment of a system S for acquiring three-dimensional characteristics of an object O from images taken by a plurality of measuring members according to the present invention. According to the example of FIG. 1, six measuring members Oi, j (i = 1 to 3, j = 1 to 2) are shown. Each measuring member Oi, j comprises a camera C and a light source L. In addition, each measuring member Oi, j is integral with a support which holds it in position stably. According to the layout example of FIG. 1, are used three supports Si (i = 1 to 3), located approximately 120 ° from each other, adjustable in height and on each of which are mounted superimposed two measuring members Oi, I and Oi, 2. Each support Si is, for example, a camera stand. In general, the invention applies to all types of supports provided with means for adjusting the spatial position of a measuring member which is integral therewith, that these means are provided for positioning in rotation or in translation the measure in relation to its support. In addition, the invention is not limited to two the number of measuring members per support, nor to three the number of supports of the system and the fact that the measuring members are superimposed on each other but extends to any other number and arrangement of these measuring devices whether they are on a support placed on the ground or suspended so that these measuring devices take pictures of the bottom, top and / or side of an object to be represented . According to another characteristic of the system, each support is positioned in the space independently of the others.
Le réglage des supports et l'indépendance de leur positionnement dans l'espace confèrent au système S une profondeur de champ variable permettant ainsi la prise d'images d'objets de tailles diverses et ce à différentes distances. En effet, le réglage des supports Si permet d'adapter les dimensions de l'espace tridimensionnel selon la taille de l'objet 0 à représenter. The adjustment of the supports and the independence of their positioning in the space give the system S a variable depth of field allowing the taking of images of objects of various sizes and at different distances. Indeed, the setting of the supports Si makes it possible to adapt the dimensions of the three-dimensional space according to the size of the object 0 to be represented.
Selon l'exemple de la Fig. 1, le réglage en hauteur des supports Si permet que l'espace tridimensionnel soit variable en hauteur. De plus, du fait que les supports Si ne sont pas mécaniquement liés les uns aux autres, chaque support Si peut être disposé indépendamment des autres permettant ainsi l'adaptation de la surface au sol de 5 l'espace tridimensionnel à la surface au sol de l'objet O à représenter. Enfin, du fait que les supports du système ne nécessitent pas de moyens de liaison mécanique pour les relier entre eux, le système est facilement transportable de part son encombrement et son poids réduits et sa mise en place pour son utilisation en est grandement facilitée. 10 La Fig. 2 représente un schéma d'un mode de réalisation d'un organe de mesure Oi,j. L'organe de mesure Oi,j comprend un support de liaison SL fixé à son support Si et prévu pour supporter une caméra C et une source de lumière L. La source de lumière L est une source de lumière par rayonnement 15 électromagnétique qui est, notamment, mais de façon non exclusive, une source de lumière de type visible, infrarouge, laser, ou ultraviolet. La source de lumière L est montée pivotante autour d'un axe A qui permet à des parties concaves ou convexes de la face de l'objet 0 visible de la caméra C de pouvoir être éclairées par la source de lumière L. Pour cela, la source de lumière L est associée 20 à un moyen d'entraînement en rotation (non représenté), tel que par exemple un moteur pas à pas, qui positionne la source de lumière L selon un angle a,., orienté de l'axe AC de la caméra C vers l'axe AL du faisceau lumineux émis par la source de lumière L. La source de lumière L est orientée de manière à éclairer une partie P de l'objet 25 0 qui est vue par la caméra C, c'est-à-dire qui se trouve à l'intérieur de son champ visuel CHV. Ainsi, l'image prise par la caméra C comporte une représentation bidimensionnelle de cette partie P de l'objet et uniquement de celle-ci du fait des propriétés particulières du faisceau lumineux qui rend invisible, pour la caméra C, les parties de l'objet non éclairées par le faisceau lumineux. 30 La caméra C, qui est par exemple de type CCD (Charge Couple Device en anglais) possédant par exemple 307.200 pixels, est montée pivotante autour d'un axe B pour que des images puissent être prises de toutes les parties de l'objet O même concaves ou convexes. According to the example of FIG. 1, the height adjustment of the supports Si allows the three-dimensional space to be variable in height. Moreover, because the Si supports are not mechanically connected to each other, each support Si can be arranged independently of the others, thus allowing the adaptation of the surface area of the three-dimensional space to the surface of the floor. the object O to represent. Finally, because the system supports do not require mechanical connection means to connect them, the system is easily transportable because of its size and weight reduced and its implementation for its use is greatly facilitated. FIG. 2 shows a diagram of an embodiment of a measuring member Oi, j. The measuring member Oi, j comprises a connection support SL fixed to its support Si and designed to support a camera C and a light source L. The light source L is an electromagnetic radiation light source which is, in particular, but not exclusively, a light source of visible type, infrared, laser, or ultraviolet. The light source L is pivotally mounted about an axis A which allows concave or convex portions of the face of the object 0 visible from the camera C to be illuminated by the light source L. For this, the Light source L is associated with a rotating drive means (not shown), such as for example a stepper motor, which positions the light source L at an angle α, oriented along the axis AC. from the camera C to the axis AL of the light beam emitted by the light source L. The light source L is oriented so as to illuminate a portion P of the object 25 which is seen by the camera C, c ' that is, within its visual field CHV. Thus, the image taken by the camera C comprises a two-dimensional representation of this part P of the object and only of the latter because of the particular properties of the light beam which makes invisible, for the camera C, the parts of the object not illuminated by the light beam. The camera C, which is for example a CCD (Charge Couple Device) having for example 307.200 pixels, is pivotally mounted about an axis B so that images can be taken from all parts of the object O even concave or convex.
Pour cela, la caméra C est associée à un moyen d'entraînement en rotation (non représenté), tel que par exemple un moteur pas à pas, qui positionne la caméra C selon un angle /3,., orienté de l'un des trois axes (X, Y, Z) du repère de référence de l'espace tridimensionnel, en l'occurrence l'axe X, vers l'axe AC. For this, the camera C is associated with a rotating drive means (not shown), such as for example a stepper motor, which positions the camera C at an angle θ, oriented of one of the three axes (X, Y, Z) of the reference reference of the three-dimensional space, in this case the X axis, towards the axis AC.
L'organe de mesure Oi,j comporte également un moyen de couplage SCL prévu, lorsque au moins un des deux moyens d'entraînement en rotation est activé, pour que la valeur de l'angle orienté a; , reste constante selon un premier de ses deux modes de fonctionnement et soit modifiable selon le second de ses deux modes de fonctionnement. The measuring member Oi, j also comprises a coupling means SCL provided, when at least one of the two rotary drive means is activated, so that the value of the angle oriented a; , remains constant according to a first of its two operating modes and is modifiable according to the second of its two modes of operation.
Selon un mode de réalisation du moyen de couplage SCL, un engrenage relie les deux moyens d'entraînement en rotation provoquant ainsi la rotation simultanée de la caméra C et de la source de lumière L d'une même valeur d'angle Af3,, . Cet engrenage est associé à un moyen pour le débrayer, par exemple manuellement. La Fig. 3a représente l'organe de mesure Oi,j lorsque l'un des moyens d'entraînement en rotation a été activé et que le moyen de couplage SCL fonctionne selon son premier mode. La rotation, par exemple de la caméra C, d'une valeur d'angle Af3;, (ici négative) ajoutée à une valeur de l'angle a provoqué simultanément la rotation de la source de lumière L de la même valeur d'angle. Ainsi, pour une valeur de l'angle a,,, et une valeur incrémentale Ai,,, données et partant d'une valeur initiale de l'angle , l'organe de mesure est à même de prendre pour chaque incrément de rotation A f; , une image d'une partie de la face d'un objet se trouvant dans le champ visuel CHV de la caméra C et ce en conservant la même valeur d'angle orienté a; , . La Fig. 3b représente l'organe de mesure Oi,j lorsque l'un des moyens d'entraînement en rotation, en l'occurrence celui de la caméra C, a été activé et que le moyen de couplage SCL fonctionne selon son second mode. La rotation de la caméra C d'une valeur d'angle Af3, , (ici positive) ajoutée à une valeur de l'angle f,., n'a provoqué la rotation que de la caméra C modifiant ainsi la valeur de l'angle orienté a; , . According to one embodiment of the SCL coupling means, a gear connects the two rotary drive means thereby causing the simultaneous rotation of the camera C and the light source L of the same angle value Af3 ,,. This gear is associated with a means for disengaging it, for example manually. Fig. 3a represents the measuring member Oi, j when one of the rotating drive means has been activated and the coupling means SCL operates in its first mode. The rotation, for example of the camera C, of an angle value Af3 ;, (here negative) added to a value of the angle a simultaneously causes the rotation of the light source L of the same angle value. . Thus, for a value of the angle α ,,, and an incremental value Ai ,,, given and starting from an initial value of the angle, the measuring member is able to take for each increment of rotation A f; , an image of a part of the face of an object in the field of view CHV of the camera C and keeping the same angle value oriented a; ,. Fig. 3b represents the measuring member Oi, j when one of the rotating drive means, in this case that of the camera C, has been activated and the coupling means SCL operates in its second mode. The rotation of the camera C by an angle value Af3,, (here positive) added to a value of the angle f,., Caused the rotation only of the camera C thus modifying the value of the angle oriented a; ,.
Il est évident que, dans le cas où la source de lumière L est entraînée en rotation, le même résultat se produit, que cette rotation soit faite en parallèle à celle de la caméra C ou seule. It is obvious that, in the case where the light source L is rotated, the same result occurs, whether this rotation is made in parallel with that of the camera C or alone.
Ainsi, partant de valeurs initiales des angles a,,, et /3,,, et pour des valeurs incrémentales Aa, ; et Aie,., données, l'organe de mesure est à même de prendre pour chaque couple d'incréments (Aa, j , Afl, ,) une image d'une partie de la face visible d'un objet. Thus, starting from initial values of the angles a ,,, and / 3 ,,, and for incremental values Aa,; and Aie,., data, the measuring device is able to take for each pair of increments (Aa, j, Afl,,) an image of a part of the visible face of an object.
La Fig. 4 représente un diagramme des étapes d'une méthode d'acquisition de caractéristiques tridimensionnelles d'un objet, mise en oeuvre par le système S. La méthode débute par une étape 100 d'initialisation au cours de laquelle les différents organes de mesures Oi,j sont positionnés autour de l'objet O. Comme on le verra par la suite à l'issue de la description de la méthode de calibration, chaque organe de mesure est calibré, c'est-à-dire qu'est déterminée la transformée numérique relative à la caméra de chaque organe de mesure et ce pour une valeur de l'angle a,., de chaque organe de mesure donnée qui reste constante à une valeur déterminée tout du long de la méthode d'acquisition. Pour cela, le moyen de couplage SCL de chaque organe de mesure fonctionne selon son premier mode. On peut noter qu'à ce moment-là, la source de lumière de chaque organe de mesure éclaire la partie de l'objet dont la caméra de cet organe de mesure prend une voire plusieurs images. Au cours de cette étape d'initialisation, chaque caméra est positionnée en rotation selon une valeur de l'angle /3, , par exemple de manière à ce que chacune d'entre elle puisse prendre une image de la partie la plus haute d'une face visible de l'objet O. Enfin, au cours de cette étape d'initialisation, des valeurs incrémentales A/3; j sont définies, Ces valeurs peuvent être différentes pour chaque organe de mesure ou pas et pour un même organe de mesure, être toutes identiques ou pas. L'étape 100 est suivie d'une étape 110 au cours de laquelle une image est prise par chaque caméra. Fig. 4 represents a diagram of the steps of a method for acquiring three-dimensional characteristics of an object, implemented by the system S. The method starts with a step 100 of initialization during which the different measurement devices Oi, j are positioned around the object O. As will be seen later at the end of the description of the calibration method, each measuring device is calibrated, that is to say that is determined the transform digital camera relative to each measuring device and this for a value of the angle a,., of each given measuring member which remains constant at a determined value throughout the acquisition method. For this purpose, the SCL coupling means of each measuring device operates in its first mode. It may be noted that at this moment, the light source of each measuring device illuminates the part of the object whose camera of this measuring device takes one or more images. During this initialization step, each camera is rotated according to a value of the angle / 3, for example so that each of them can take an image of the highest part of the camera. a visible face of the object O. Finally, during this initialization step, incremental values A / 3; These values can be different for each measuring device or not and for the same measuring device, be all identical or not. Step 100 is followed by a step 110 during which an image is taken by each camera.
L'étape 110 est suivie d'une étape 120 au cours de laquelle au moins un des moyens en rotation positionne chaque caméra à une valeur d'angle initiale /3,'"', +A/3, i avec qui désigne la valeur de l'angle /1, , précédente. L'étape 120 est suivie d'une étape 130 au cours de laquelle une image est prise par chaque caméra. Step 110 is followed by a step 120 in which at least one of the rotating means positions each camera at an initial angle value 3 3, "", + / / 3, i with which the value of the angle / 1, previous step 120 is followed by a step 130 during which an image is taken by each camera.
L'étape 130 est suivie d'une étape de décision 140 au cours de laquelle il est testé si de nouvelles images de l'objet O doivent être prises. Dans l'affirmative, l'étape 140 est suivie de l'étape 120 précédemment décrite. Step 130 is followed by a decision step 140 in which it is tested if new images of the object O are to be taken. If so, step 140 is followed by step 120 previously described.
Dans la négative, l'étape 140 est suivie d'une étape 150 au cours de laquelle le modèle numérique tridimensionnel de l'objet O est calculé à partir des images prises et de la transformée numérique relative à chaque caméra . La méthode de calibration du système S, selon la présente invention, permet de déterminer la transformée numérique relative à la caméra de chaque organe de mesure. En d'autres termes, la méthode de calibration du système S consiste donc à calibrer la caméra de chaque organe de mesure du système, c'est-à-dire à déterminer pour chaque organe de mesure les paramètres de la transformée numérique qui permet d'exprimer chaque point d'une image prise par la caméra de cet organe de mesure dans un espace tridimensionnel connu de chacune des caméras du système. La Fig. 5 représente une illustration d'un mode de réalisation de la méthode pour calibrer la caméra de chaque organe de mesure du système de la Fig. 1. Selon ce mode de réalisation, le moyen de couplage SCL de chaque organe de mesure fonctionne selon son premier mode c'est-à-dire que l'angle a,., est constant, fixant ainsi l'angle entre la caméra et à la source de lumière de chaque organe de mesure. La méthode de calibration du système d'acquisition tel que représenté à la Fig. 1, utilise une mire tridimensionnelle M3 représentée à la Fig. 6. La Fig. 6 :représente schématiquement un mode de réalisation d'une mire tridimensionnelle M3 selon la présente invention. La mire M3 comporte trois faces Fi (i=1 à 3) non coplanaires de surface rectangulaire. Les faces Fi sont maintenues en position verticale par deux couvercles Cl et C2 de surface triangulaire, disposées de manière à ce que chaque arête verticale ai,j (j=1 à 2) de chacune des trois faces Fi soit jointive à l'une des arêtes verticales ak,j (j=l à 2) d'une autre desdits trois faces Fk (k#i). Sur la Fig. 6 seules les arêtes verticales a2,1 et a2,2 relatives à la face F2 sont représentées. Selon le mode de réalisation de la Fig. 6, les points caractéristiques de chacune des faces Fi sont déterminés à partir d'un damier noir et blanc qui couvre chacune de ces faces (seul le damier sur la face F2 de la mire M3 est représenté sur la Fig. 6). Par exemple, ces points caractéristiques sont les coins de chaque carré noir du damier couvrant chaque face. De retour à la Fig. 5, la méthode de calibration consiste à placer la mire M3 de telle sorte qu'au moins l'une de ses faces soit vue par chaque organe de mesure du système. If not, step 140 is followed by a step 150 in which the three-dimensional numerical model of the object O is computed from the images taken and the digital transform relating to each camera. The calibration method of the system S, according to the present invention, makes it possible to determine the digital transform relating to the camera of each measuring member. In other words, the method of calibration of the system S thus consists of calibrating the camera of each measuring device of the system, that is to say, of determining for each measuring device the parameters of the digital transform which makes it possible to express each point of an image taken by the camera of this measuring member in a known three-dimensional space of each of the cameras of the system. Fig. 5 is an illustration of an embodiment of the method for calibrating the camera of each measuring member of the system of FIG. 1. According to this embodiment, the SCL coupling means of each measuring device operates in its first mode, that is to say that the angle α,., Is constant, thus fixing the angle between the camera and to the light source of each measuring device. The calibration method of the acquisition system as shown in FIG. 1, uses a three-dimensional pattern M3 shown in FIG. 6. FIG. 6 schematically represents an embodiment of a three-dimensional pattern M3 according to the present invention. The pattern M3 has three non-coplanar faces Fi (i = 1 to 3) of rectangular surface. The faces Fi are held in the vertical position by two covers C1 and C2 of triangular surface, arranged so that each vertical edge ai, j (j = 1 to 2) of each of the three faces Fi is joined to one of vertical edges ak, j (j = 1 to 2) of another of said three faces Fk (k # i). In FIG. 6 only the vertical edges a2,1 and a2,2 relating to the face F2 are shown. According to the embodiment of FIG. 6, the characteristic points of each of the faces Fi are determined from a black and white checkerboard which covers each of these faces (only the checkerboard on the face F2 of the pattern M3 is shown in Fig. 6). For example, these characteristic points are the corners of each black square of the checkerboard covering each face. Back to Fig. 5, the calibration method consists of placing the pattern M3 so that at least one of its faces is seen by each measuring device of the system.
Chaque caméra prend alors une image de la face de la mire M3 qui lui est visible et est calibrée selon la méthode décrite dans la partie introductive dans le cas où elle est la seule à voir la mire 2D. Dans le cas contraire, c'est-à-dire dans le cas où elle est visible de la caméra de plus d'un organe de mesure, ces caméras sont calibrées entre elles à partir de ladite face de la mire M3. Selon l'exemple de système donné à la Fig. 1, chaque support Si porte deux organes de mesure Oi,j et Oi,j+l. Ainsi, tel que illustré à la Fig. 5, la face F1 de la mire M3 est visible des caméras des organes de mesure 01,1 et 01,2 solidaires du support S1, la face F2 de la mire M3 est visible des caméras des organes de mesure 02,1 et 02,2 solidaires du support S2 et la face F3 de la mire M3 est visible des caméras des organes de mesure 03,1 et 03,2. Pour calibrer entre elles les caméras qui voient une même face de la mire 3D, chacune de ces caméras, par exemple les caméras Cj et Cj+l relatives respectivement aux organes de mesure Oi,j et Oi,j+1, est calibrée selon la méthode décrite dans la partie introductive. A l'issue de la calibration de chaque caméra Cj et Cj+l, on obtient les relations suivantes : Pci=R(j * PM + Tcj et PCj+l=Rci+1 * PM + Tcj+l PM = RMCj * PC.i +TMCi, PM = RMCj+I * PCj+I +TMCj+, avec Pcj et P(j+1 respectivement un point d'une face de la mire M3 dans l'image prise par la caméra Cj et dans l'image prise par la caméra Cj+l, R(j et Tci respectivement la matrice de rotation et de translation permettant de passer de la mire M3 au repère de la caméra Cj, R(,j+l et TCj+I respectivement la matrice de rotation et de translation permettant de passer de la mire M3 au repère de la caméra Cj+l, PM un point de la face de la mire M3 dans l'espace tridimensionnel, Rmci et Tm() respectivement la matrice de rotation et de translation permettant de passer de la caméra Cj au repère de la face de la mire M3, et RMCj+I et TMCj+I respectivement la matrice de rotation et de translation permettant de passer de caméra Cj+1 au repère de la mire M3. Les caméras Cj, Cj+1 sont alors dites calibrées entre elles c'est-à-dire que chaque point de la face de la mire M3 exprimée dans le repère de l'une des caméras Cj, Cj+1 a son correspondant dans le repère d'une autre caméra. Par exemple, le point P(i de la la face de la mire M3 a son correspondant Pci+1 dans le repère de la caméra Cj+l déterminé par la relation suivante : Rmci * P(j +TM() = RMCj+I * Pci+1 +TMCj+I Du fait que les points de chaque face de la mire M3 sont connus et que chaque point de l'une des faces de la mire 3D, exprimé dans le repère de cette face peut s'exprimer dans le repère d'une autre de ses faces grâce à la connaissance précise de la géométrie de la mire M3, chaque point d'une image prise par une caméra calibrée du système peut s'exprimer dans le repère d'une autre de ces caméras calibrées. En effet, une caméra est calibrée (ou des caméras sont calibrées entre elles selon la disposition des organes de mesures sur les supports du système) à partir d'une face de la mire M3. Ainsi, à l'issue de cette calibration, on obtient les relations suivantes Pc_i = Rcj * PH() +Tc) et PF1(-j = RMCJ * Pc3 +TMCj avec PQ un point d'une face de la mire 3D dans l'image prise par la caméra Cj, Rci et Tci la matrice de rotation et de translation permettant de passer de la face 1 de la mire M3 au repère de la caméra Cj, RMCi et TMCj respectivement la matrice de rotation et de translation permettant de passer de la caméra Cj au repère de la face 1 de la mire M3, et PFICj un point de la face 1 de la mire M3. Each camera then takes an image of the face of the M3 pattern which is visible to it and is calibrated according to the method described in the introductory part in the case where it is the only one to see the 2D target. In the opposite case, that is to say in the case where it is visible from the camera of more than one measuring member, these cameras are calibrated between them from said face of the pattern M3. According to the system example given in FIG. 1, each support Si carries two measuring members Oi, j and Oi, j + 1. Thus, as illustrated in FIG. 5, the face F1 of the target M3 is visible from the cameras of the measuring members 01, 1 and 01, integral with the support S1, the face F2 of the target M3 is visible from the cameras of the measuring members 02, 1 and 02, 2 secured to the support S2 and the face F3 of the pattern M3 is visible cameras of the measuring members 03.1 and 03.2. To calibrate the cameras that see the same face of the 3D pattern, each of these cameras, for example the cameras Cj and Cj + 1 relative respectively to the measuring members Oi, j and Oi, j + 1, is calibrated according to the method described in the introductory part. At the end of the calibration of each camera Cj and Cj + l, we obtain the following relations: Pci = R (j * PM + Tcj and PCj + l = Rci + 1 * PM + Tcj + l PM = RMCj * PC .i + TMCi, PM = RMCj + I * PCj + I + TMCj +, with Pcj and P (j + 1 respectively a point of a face of the target M3 in the image taken by the camera Cj and in the image taken by the camera Cj + 1, R (j and Tci, respectively, the rotation and translation matrix making it possible to pass from the pattern M3 to the camera marker Cj, R (, j + 1 and TCj + I respectively the rotation matrix and of translation making it possible to pass from the target M3 to the mark of the camera Cj + 1, PM a point on the face of the pattern M3 in the three-dimensional space, Rmci and Tm () respectively the rotation and translation matrix allowing to passing from the camera Cj to the mark of the face of the target M3, and RMCj + I and TMCj + I, respectively, the rotation and translation matrix making it possible to pass from camera Cj + 1 to the mark of the target M3. Cj + 1 are then said calibrated between them, that is to say that each point of the face of the pattern M3 expressed in the reference of one of the cameras Cj, Cj + 1 has its corresponding in the reference of another camera. For example, the point P (i of the face of the pattern M3 has its corresponding Pci + 1 in the camera coordinate system Cj + 1 determined by the following relation: Rmci * P (j + TM () = RMCj + I * Pci + 1 + TMCj + I Because the points of each face of the M3 pattern are known and that each point of one of the faces of the 3D pattern, expressed in the reference of this face can be expressed in the reference to another of its faces thanks to the precise knowledge of the geometry of the M3 pattern, each point of an image taken by a calibrated camera system can be expressed in the reference of another of these calibrated cameras. In fact, a camera is calibrated (or cameras are calibrated between them according to the arrangement of the measuring devices on the supports of the system) from a face of the M3 pattern, so at the end of this calibration, obtain the following relations Pc_i = Rcj * PH () + Tc) and PF1 (-j = RMCJ * Pc3 + TMCj with PQ a point of a face of the 3D chart in the image taken by r the camera Cj, Rci and Tci the rotation and translation matrix making it possible to pass from the face 1 of the test pattern M3 to the mark of the camera Cj, RMCi and TMCj respectively the rotation and translation matrix making it possible to pass from the camera Cj at the mark of the face 1 of the pattern M3, and PFICj a point of the face 1 of the pattern M3.
La géométrie de la mire M3 et la position des points sur la mire 3D étant connues, il est aisé d'exprimer un point d'une face f de la mire M3 dans le repère d'une autre des faces (f+l) de la mire M3. On a ainsi la relation suivante : PFi = Rmire3D * PFi+l + Tmire_D avec PFi et PFi+l qui désignent respectivement un point d'une face i de la mire M3 et d'une autre face (i+1) de cette mire et (RFiFi+l, T FiFi+1) représente respectivement la matrice de rotation et de translation de la transformée numérique permettant de déterminer le correspondant d'un point de la face Fi+1 dans le repère de la face Fi de la mire M3. The geometry of the pattern M3 and the position of the points on the 3D pattern being known, it is easy to express a point of one face f of the pattern M3 in the reference of another of the faces (f + 1) of the M3 target. We thus have the following relation: PFi = Rmire3D * PFi + l + Tmire_D with PFi and PFi + 1 which respectively denote a point of a face i of the target M3 and another face (i + 1) of this target and (RFiFi + 1, T FiFi + 1) respectively represents the rotation and translation matrix of the digital transform making it possible to determine the correspondent of a point of the face Fi + 1 in the reference frame of the face Fi of the M3 pattern. .
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