FR2940423A1 - Dispositif de numerisation tridimensionnelle a reconstruction dense - Google Patents

Abstract

Dispositif (1) de construction d'une image de synthèse d'une surface tridimensionnelle d'un objet (2) physique, ce dispositif comprenant : - un projecteur (10) agencé pour projeter, suivant un axe optique (17) de projection, une image d'un motif comprenant une multitude de points d'intensités lumineuses et/ou de couleurs prédéterminées, le projecteur (10) étant agencé pour que l'image du motif soit nette dans un plan image prédéterminé perpendiculaire à l'axe (17) de projection ; - une caméra (11) axiale pointant en direction du plan image et présentant un axe optique (19) de visée axiale, la caméra (11) axiale étant positionnée de sorte que son axe (19) de visée forme avec l'axe de projection un angle (α) nul ; - une caméra (12) déportée pointant en direction du plan image et présentant un axe optique (26) de visée déportée, cette caméra (12) étant positionnée de sorte que son (26) axe de visée forme avec l'axe (17) de projection un angle non nul.

Description

DISPOSITIF DE NUMERISATION TRIDIMENSIONNELLE A RECONSTRUCTION DENSE

L'invention a trait à la construction d'images de synthèses sans contact à partir d'objets tridimensionnels physiques. Cette technique est couramment appelée numérisation tridimensionnelle, ou encore, suivant la terminologie anglo-saxonne, scanning 3D. Les besoins de réaliser des images de synthèse à partir d'objets réels se font ressentir dans de nombreux secteurs de l'industrie, à commencer par les bureaux d'études où l'analyse des produits concurrents, couramment appelée ingénierie inverse ou reverse engineering , ainsi que le partage et le stockage d'informations concernant ces produits, tendent à devenir indispensables compte tenu notamment des attentes générales en matière d'innovation et de la vitesse de renouvellement des produits. Ces secteurs ne sont pas les seuls concernés : la biométrie, la médecine (notamment la chirurgie) et l'élevage industriel (voir les documents cités ci-après) utilisent de manière croissante les techniques de numérisation tridimensionnelle. Les musées s'intéressent également à ces techniques, qui pourraient leur permettre, en réalisant à faible coût des copies d'objets anciens conservés en réserve car trop fragiles pour être exposés (notamment statues, ossements, poterie), d'augmenter de manière conséquente leur surface d'exposition. Les techniques ancestrales consistaient à démonter les produits et réaliser des plans au crayon, ou à utiliser des outils de métrologie par contact. Ces méthodes, longues et fastidieuses, ont évolué au fil du temps avec l'avènement des outils de conception et de dessin assistés par ordinateur (CAO/DAO), qui permettent une conception et une représentation tridimensionnelle des objets à l'étude. Certains outils plus complets proposent un lien direct avec la fabrication (CFAO). Des solutions de prototypage rapide ont, enfin, fait récemment leur apparition en liaison avec les outils de CAO/DAO. Il va de soi qu'un outil de numérisation tridimensionnelle, en lien avec un outil de CAO ou de CFAO, permet de réaliser un gain de temps considérable. Un tel outil comprend généralement un ou plusieurs scanneurs, portatifs ou non, réalisant une acquisition de la topographie de l'objet suivant une ou plusieurs orientations, cette topographie étant N003 B003 FR_NOOMEO_TQD ensuite exploitée pour effectuer une reconstruction tridimensionnelle de synthèse de l'objet dans l'environnement CAO. Il existe plusieurs techniques d'acquisition sans contact. Généralement ces techniques reposent sur la projection sur l'objet d'une image lumineuse ayant une forme prédéterminée (ligne, motif répétitif ou pseudo aléatoire) dont la distorsion, capturée visuellement et analysée point par point (suivant une résolution plus ou moins haute), permet de calculer, pour chaque point, des coordonnées tridimensionnelles et notamment de profondeur.

Ces techniques peuvent être classées en deux grandes familles : - le balayage, qui consiste à projeter sur l'objet une image linéaire (généralement un pinceau lumineux plan généré au moyen d'une source laser) et à balayer la surface de l'objet au moyen de cette ligne dont les distorsions successives permettent, au fur et à mesure, une reconstruction de la totalité de la face éclairée, et - la capture ponctuelle ou one-shot , qui consiste à projeter sur l'objet, de manière ponctuelle, une image structurée contenant un motif prédéterminé dont la distorsion générale, par rapport à sa projection sur un plan, est analysée point par point pour permettre la reconstruction de la face éclairée. Ces deux techniques réalisent l'acquisition de l'image distordue au moyen d'un appareil de prise de vue ou de capture (appareil photographique ou caméra) dirigé vers la face éclairée de l'objet, cet appareil étant lui-même relié à un appareil d'analyse d'images et de reconstruction tridimensionnelle (généralement sous forme d'un module logiciel de reconstruction associé à un logiciel de CAO/DAO, implémentés sur un processeur d'ordinateur ou de calculateur). Les publications de brevets EP 0 840 880 (Crampton) et US 5 835 241 (Xerox) illustrent tous deux la technique du balayage. Cette technique a l'avantage d'être précise mais elle prend toutefois du temps (plusieurs secondes pour chaque balayage) et nécessite que l'objet soit parfaitement immobile pendant toute la durée de la projection. On comprend que cette technique soit difficilement applicable à la biométrie (sauf à des parties limitées du corps humain). En outre, l'utilisation du laser est délicate, et peut même se révéler dangereuse si l'on doit s'en servir pour scanner le visage humain.

N003 B003 FR_NOOMEO_TQD C'est pourquoi la technique du one-shot est actuellement considérée comme plus prometteuse, en raison de la rapidité, supérieure à celle du balayage, avec laquelle l'acquisition peut être réalisée. Pour illustrer cette technique, on pourra notamment se référer aux publications de brevet US 2005/0116952 (Je et al.), US 6 549 289 (Pheno Imaging), US 6 377 353 (Pheno Imaging), GB 2 410 794 (Sheffield Hallam University), US 2006/0120576 (Biomagnetic Imaging), US 2006/0017720 (Li), US 5 003 166 (MIT), WO 2007/105205 (Prime Sense) et FR 2 842 591 (ENSMA/CNRS).

La technique du one-shot ne va toutefois pas sans inconvénients. L'une des difficultés majeures dont ne parviennent pas à s'affranchir la majorité des systèmes connus est le phénomène d'occultation, c'est-à-dire la présence sur la surface à numériser de zones cachées. Ce phénomène se produit notamment lorsqu'un relief à la surface de l'objet à numériser projette dans son voisinage, sous l'effet de la lumière issue du projecteur, une ombre dont l'image prise par l'appareil de capture apparaît comme une tache noire et s'avère par conséquent inexploitable pour la reconstruction de la portion de surface correspondante. Le système du document FR 2 842 591, dans lequel l'objet à numériser est éclairé en lumière incidente oblique, illustre cette problématique. Ce phénomène se produit également lorsqu'un relief présente une face cachée invisible pour l'appareil de capture. II est à noter que la stéréovision, dans laquelle deux appareils de capture pointent simultanément vers l'objet, ne s'affranchit pas forcément des phénomènes d'occultation. On contourne en général le problème des occultations en effectuant plusieurs prises de vues successives en faisant varier l'angle d'incidence de la projection, de sorte à minimiser les zones occultées. Cependant, cette solution grève non seulement les temps de capture, en raison des prises de vues multiples pour une même surface, mais également les temps de traitement, en raison de la redondance des calculs de reconstruction pour les zones non occultées, et de la nécessité de prévoir, dans les trous correspondant aux zones occultées, des opérations de couture de portions de surface reconstruites. Ces opérations de couture sont, par nature, délicates à programmer et peuvent aboutir à des aberrations surfaciques qui compliquent la modélisation. N003 B003 FR_NOOMEO_TQD L'invention vise notamment à remédier aux difficultés exposées ci-dessus, en proposant un système de numérisation de type one-shot, qui s'affranchisse au maximum des phénomènes d'occultation et permette une acquisition rapide et fiable des données nécessaires à la reconstruction. À cet effet, l'invention propose un dispositif de construction d'une image de synthèse d'une surface tridimensionnelle d'un objet physique, ce dispositif comprenant : un projecteur agencé pour projeter, suivant un axe optique de projection, une image d'un motif comprenant une multitude de points d'intensités lumineuses et/ou de couleurs prédéterminées, le projecteur étant agencé pour que l'image du motif soit nette dans un plan image prédéterminé perpendiculaire à l'axe de projection ; une caméra axiale pointant en direction du plan image et présentant un axe optique de visée axiale, la caméra axiale étant positionnée de sorte que son axe de visée forme avec l'axe de projection un angle nul. - une caméra déportée pointant en direction du plan image et présentant un axe optique de visée déportée, cette caméra étant positionnée de sorte que son axe de visée forme avec l'axe de projection un angle non nul. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective illustrant un dispositif de numérisation tridimensionnelle comprenant un appareil de capture relié à un ordinateur ; - la figure 2 est une vue d'élévation en coupe montrant l'appareil de capture de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique de côté illustrant les principaux composants optiques de l'appareil de la figure 2, placés dans une situation de prise de vue d'un objet ; - la figure 4 est une vue schématique de côté montrant les champs de vision des caméras et leurs plans objets ; - la figure 5 est une vue schématique en perspective montrant les composants représentés sur la figure 3 ; N003 B003 FR NOOMEO TQD la figure 6 est une vue similaire à la figure 5, suivant un autre angle de vue ; - la figure 7 est une vue en perspective montrant la surface éclairée de l'objet, située dans le champ de vision de la caméra désaxée ; - la figure 8 est une vue en perspective montrant la portion de la surface éclairée de l'objet, située dans le champ de vision de la caméra axiale placée virtuellement dans l'axe de projection ; - la figure 9 est une vue en plan, dans l'axe de l'appareil de capture, du mouchetis projeté sur une face de l'objet de la figure 1. Sur la figure 1 est représenté un dispositif 1 de numérisation sans contact, permettant de construire une image de synthèse d'une surface tridimensionnelle d'un objet physique 2. En l'occurrence on a représenté cet objet 2 sous forme d'un vase mais il pourrait s'agir de tout autre objet présentant une ou plusieurs surfaces tridimensionnelles à numériser, ces surfaces étant, en pratique, en relief, c'est-à-dire non planes.

Le dispositif 1 de numérisation comprend un appareil 3 de capture optique, muni d'un boîtier 4 portatif équipé d'une poignée 5 permettant sa saisie et sa manipulation. La poignée 5 porte, sur une face avant, un déclencheur 6 manuel dont l'actionnement commande la prise de vue. Le dispositif 1 de numérisation comprend également une unité 7 de traitement des images capturées par l'appareil 3, sous forme d'un processeur sur lequel est implémentée une application logicielle de construction des images de synthèse à partir des images capturées. Le processeur peut être embarqué dans l'appareil 3 ou, comme cela est illustré sur la figure 1, délocalisé en étant intégré dans un ordinateur 8 relié à l'appareil 3 de capture par l'intermédiaire d'une interface de communication sans fil ou filaire, par exemple sous forme d'un bus 9 informatique de type USB. L'appareil 3 de capture comprend, montés dans le boîtier 4 : - un projecteur 10 lumineux ; - un dispositif 11 axial d'acquisition optique, de type caméra (c'est-à-dire conçu pour réaliser des prises de vues en continu, par exemple à la cadence normalisée de 24 images N003 B003 FR NOOMEO TOD par seconde), ou de type appareil photographique (c'est-à-dire réalisant des prises de vues ponctuelles). - un dispositif 12 déporté d'acquisition optique, du même type que le dispositif 11 axial d'acquisition optique ; - un système 13 de visée optique. On suppose dans ce qui suit que les dispositifs 1 1 , 12 d'acquisition optique sont des caméras, qui, au besoin, peuvent être employées comme appareils photographiques. Le projecteur 10 comprend une source 14 lumineuse, une optique 15 de focalisation et une mire 16 interposée entre la source 14 lumineuse et l'optique 15 de focalisation. La source 14 lumineuse est de préférence une source non cohérente de lumière blanche, notamment de type à filament ou halogène, ou encore à diode (LED).

L'optique 15 de focalisation, représentée schématiquement sur les figures 3, 5 et 6 par une simple lentille convergente, définit un axe optique 17 principal passant par la source 14 lumineuse. Cet axe optique 17 définit un axe optique de projection de l'appareil 3 de capture.

La mire 16 définit un mouchetis comprenant une multitude de points d'intensités lumineuses (contraste) et/ou de couleurs prédéterminées. Un tel mouchetis est représenté en plan sur la figure 9 : il s'agit ici d'un motif de type tavelures ou Speckle (pour une définition du motif de Speckle, cf. par exemple Juliette SELB, Source virtuelle acousto-optique pour l'imagerie des milieux diffusants , Thèse de Doctorat, Paris XI, 2002). En pratique, la mire 16 se présente sous la forme d'une plaque translucide ou transparente (en verre ou en matière plastique), carrée ou rectangulaire, de type diapositive, sur laquelle le mouchetis est imprimé par un procédé classique (transfert, offset, sérigraphie, flexographie, laser, jet d'encre, microlithographie, etc.). La mire 16 est disposée entre la source 14 lumineuse et l'optique 15, sur l'axe 17 de projection, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe 17 de projection et de sorte que celui-ci passe par le centre de la mire 16 (défini en l'occurrence par la croisée de ses diagonales). La mire 16 est placée à une distance prédéterminée de l'optique 15 dont elle constitue un plan objet, de telle sorte que l'image du motif soit nette N003 B003 FR NOOMEO TQD dans un plan image prédéterminé perpendiculaire à l'axe 17 de projection. L'exemple donné ci-après fournit des valeurs numériques préférées. La caméra 11 axiale comprend une optique 18 de focalisation, représentée schématiquement sur les figures 3, 5 et 6 par une simple lentille convergente, et définissant un axe optique 19 de visée axiale. La caméra 11 axiale comprend en outre un capteur 20 photosensible, par exemple de type CCD, qui se présente sous forme d'une plaque carrée ou rectangulaire placée, en regard de l'optique 18 de focalisation, sur l'axe optique 19 de visée axiale, c'est-à-dire perpendiculairement à celui-ci et de sorte que l'axe 19 passe par le centre du capteur 20 (défini en l'occurrence par la croisée de ses diagonales). La caméra 11 axiale est orientée de sorte à pointer en direction du plan image du projecteur 10, en étant positionnée de sorte que son axe 19 de visée forme avec l'axe 17 de projection un angle virtuellement nul Plus précisément, la caméra 11 axiale est positionnée de sorte que son axe 19 de visée soit perpendiculaire à l'axe 17 de projection et concourant avec celui-ci, tout en étant situé dans un plan médian de la mire 16. Dans ce qui suit, on nomme plan de visée le plan contenant l'axe 17 de projection et l'axe 19 de visée axiale. Un séparateur 21 optique est disposé sur l'axe 17 de projection à son intersection avec l'axe optique 19 de visée axiale. Ce séparateur 21 optique peut se présenter sous forme d'une lame mince ou épaisse, ou encore sous forme d'un prisme. En l'occurrence, le séparateur 21 optique se présente sous forme d'une lame 21 inclinée de 45° par rapport à l'axe 17 de projection (et donc également par rapport à l'axe 19 de visée de la caméra axiale).

Elle présente deux faces principales planes opposées, à savoir une face 22 arrière, tournée du côté du projecteur 10, et une face 23 avant, tournée du côté de la caméra 11 axiale. La face 22 arrière est prévue pour transmettre suivant l'axe 17 de projection la lumière incidente en provenance du projecteur 10. La face avant 23 est semi-réfléchissante, c'est-à-dire qu'elle est prévue pour transmettre suivant l'axe 17 de projection la lumière incidente en provenance du projecteur 10, mais pour réfléchir, suivant l'axe 19 de N003 B003 FR NOOMEO TQD visée axiale et vers la caméra 11 axiale, la lumière réfléchie qui lui parvient, suivant l'axe 17 de projection, de l'objet 2 éclairé. La lame 21 séparatrice est disposée de telle sorte que l'axe 17 de projection et l'axe 19 de visée axiale soient concourants sur la face 23 avant semi-réfléchissante, et plus précisément au centre de celle-ci, défini par la croisée de ses diagonales. De la sorte, la caméra 11 axiale forme une caméra virtuelle située sur l'axe 17 de projection. Le capteur 20 est placé à une distance prédéterminée de l'optique 18, dans un plan image situé à une distance prédéterminée de celle-ci, dépendant de sa focale (voir l'exemple ci-dessous) et telle que le plan objet 24 correspondant à ce plan image soit sensiblement confondu avec le plan image du projecteur 10. Dans un mode de réalisation préféré, cette caméra virtuelle est située devant le projecteur 10 plutôt qu'en arrière de celui-ci, c'est-à-dire que la longueur du chemin optique séparant le plan objet 24 de la caméra 11 axiale (c'est-à-dire le plan image du projecteur 10) et le plan image de celle-ci (dans lequel s'étend le capteur 20) est inférieure à la longueur du chemin optique séparant le plan objet du projecteur 10 (dans lequel s'étend la mire 16) et le plan image de celui-ci. Concrètement, compte tenu de la présence de la lame 21 séparatrice, cette disposition se traduit par le fait que la distance de la caméra 11 axiale à la lame 21 séparatrice est inférieure à la distance du projecteur 10 à la lame 21 séparatrice.

Cela permet d'utiliser un capteur 20 de taille raisonnable (et donc de coût raisonnable), dont le champ de vision soit strictement inclus dans l'image du mouchetis. La caméra 12 déportée est équipée d'une optique 25 de focalisation, représentée schématiquement sur les figures 3, 5 et 6 par une simple lentille convergente, et définissant un axe optique 26 de visée déportée. La caméra 12 déportée comprend en outre un capteur 27 photosensible, par exemple de type CCD, qui se présente sous forme d'une plaque carrée ou rectangulaire placée, en regard de l'optique 25 de focalisation, sur l'axe optique 26 de visée déportée, c'est-à-dire perpendiculairement à celui-ci et de sorte que l'axe 26 passe par le

N003 B003 FR NOOMEO TQD centre du capteur 27 (défini en l'occurrence par la croisée de ses diagonales). La caméra 12 déportée est orientée de sorte à pointer en direction du plan image du projecteur 10, en étant positionnée de sorte que son axe 26 de visée forme avec l'axe 17 de projection un angle a non nul (voir l'exemple numérique ci-après) et soit situé dans le plan de visée (en d'autres termes, l'axe 17 de projection, l'axe 19 de visée axiale et l'axe 26 de visée déportée sont coplanaires). Le capteur 27 est placé à une distance prédéterminée de l'optique 25, dans un plan image situé à une distance prédéterminée de celle-ci, dépendant de sa focale (voir l'exemple ci-dessous) et telle que : - le centre du plan objet 28 correspondant à ce plan image soit situé sur l'axe 17 de projection ; - le plan objet 24 de la caméra 11 axiale soit inclus dans le champ de vision du capteur 27 de la caméra 12 déportée. Cette configuration, illustrée sur la figure 4, qui impose un décalage du plan objet 28 de la caméra 12 déportée par rapport au plan objet 24 de la caméra 11 axiale, parallèlement à l'axe 17 de projection, constitue le meilleur compromis entre une bonne netteté et un recouvrement maximal des champs de vision des deux capteurs 20, 27. En outre, la caméra 12 déportée est positionnée de telle sorte que la longueur du chemin optique séparant le plan objet 28 de la caméra 12 déportée (dont l'intersection avec le plan image du projecteur 10 est une droite perpendiculaire au plan de visée et passant par le centre du plan image du projecteur 10) et le plan image de celle-ci (dans lequel s'étend le capteur 27) est inférieure à la longueur du chemin optique séparant le plan objet du projecteur 10 (dans lequel s'étend la mire 16) et le plan image de celui-ci. Comme dans le cas de la caméra 11 axiale, cette disposition permet d'utiliser un capteur 27 de taille raisonnable (et donc de coût raisonnable), dont le champ de vision soit strictement inclus dans l'image du mouchetis. Le système 13 de visée est agencé pour permettre, préalablement à la prise de vue, un positionnement de l'appareil 3 à une distance de l'objet 2 telle que la projection sur celui-ci du mouchetis (c'est-à-dire de l'image de la mire 16) soit aussi nette que possible. Ce système 13 de visée comprend deux pointeurs 29, 30 laser montés dans le boîtier 4 de l'appareil, conçus pour émettre chacun, N003 B003 FR_NOOMEO_TQD lorsque le déclencheur 6 est enfoncé, un rayon ou faisceau lumineux 31, 32 linéaire produisant, sur toute surface éclairée, une tache lumineuse 33 sensiblement ponctuelle. Les pointeurs 29, 30 sont positionnés angulairement dans le boîtier 4 pour que les rayons 31, 32 émis se croisent en un point d'intersection situé sur l'axe 17 de projection, sensiblement dans le plan image du projecteur 10. On fournit ci-après un exemple expérimental de dimensionnement et de positionnement du projecteur 10 et des caméras 1 1 , 12 : 10 Projecteur 10 : Paramètre Gamme préférée Valeur préférée grand côté de la mire 16 4 mm - 8 mm 6 mm Focale de l'optique 15 3 mm - 9 mm 6,4 mm distance optique 15 - mire 16 (plan objet) 3 mm - 9 mm 6,48 mm distance optique 15 - lame séparatrice 21 50 mm -100 mm 81,2 mm Grandissement 0,005 û 0,040 0,023 Caméra 11 axiale : paramètre Gamme préférée Valeur préférée grand côté du capteur 20 3 mm - 7 mm 4,5 mm Focale 3 mm - 9 mm 6,4 mm distance optique 18 - capteur 20 (plan image) 3 mm - 9 mm 6,49 mm distance optique 18 - lame séparatrice 21 30 mm - 60 mm 38,5 mm Grandissement 0,005 - 0,030 0,021 15 Caméra 12 déportée : Paramètre Gamme préférée Valeur préférée grand côté du capteur 27 3 mm - 7 mm 4,51 mm Focale 3 mm - 9 mm 6,4 mm distance optique 25 û capteur 27 (plan image) 4 mm - 8 mm 5,3 mm Angle a 10° - 15° 12,45° Grandissement 0,005 - 0,030 0,021 Le dimensionnement préféré (cf. colonne valeur préférée ), permet de projeter dans le plan image du projecteur 10, situé à 481 mm de l'optique 15 de celui-ci (cette valeur peut aisément être déduite des 20 valeurs fournies par la relation de conjugaison des lentilles minces) une image nette du mouchetis (figure 9), dont le grand côté mesure 260 mm environ, cette image étant strictement incluse dans les champs des capteurs 20, 27. N003 B003 FR NOOMEO TQD En fonctionnement, l'appareil 3 de capture est positionné face à l'objet 2, en regard d'une surface de celui-ci que l'on souhaite numériser. Le déclencheur 6 est alors enfoncé, ce qui provoque l'allumage des pointeurs 29, 30 lasers et l'émission de leurs faisceaux 31, 32 respectifs. Tout en maintenant enfoncé le déclencheur 6, la distance de l'appareil 3 à l'objet 2 est alors ajustée de sorte que l'intersection des faisceaux 31, 32 laser soit située à la surface de l'objet 2, c'est-à-dire de sorte qu'une seule tache 33 lumineuse apparaisse à la surface de l'objet 2. Le point de la surface de l'objet correspondant à la tache 33 se trouve alors sensiblement dans le plan image du projecteur 10, ce qui permet de minimiser le flou dont sera affectée l'image du mouchetis projetée sur l'objet 2. Le relâchement du déclencheur 6 provoque l'allumage de la source 14 lumineuse et la projection du mouchetis sur l'objet 2. Le mécanisme de déclenchement peut être du type flash, c'est-à-dire que la projection du mouchetis et la prise de vue sont réalisées ponctuellement et simultanément, ou bien de type retardé, c'est-à-dire que la prise de vue peut être déclenchée û de manière automatique ou manuelle û pendant un intervalle de temps au cours duquel la projection est effectuée en continu. On peut également prévoir un fonctionnement en rafale, dans lequel plusieurs prises de vues sont effectuées successivement à intervalles de temps prédéterminés. La lumière blanche incidente émise par la source 14 lumineuse traverse en premier lieu la mire 16, est focalisée par l'optique 15 puis traverse sans réflexion la lame 21 séparatrice. Cette lumière éclaire û avec projection de la mire 16 û l'objet à numériser. La portion de la surface éclairée de l'objet 2 située dans le champ de vision de la caméra 11 axiale, représentée sur la figure 7, émet une lumière réfléchie suivant l'axe 19 de visée axiale, en sens inverse de la lumière incidente. Cette lumière réfléchie subit une seconde réflexion à angle droit sur la face avant 23 de la lame 21 séparatrice en direction de la caméra 11. La lumière ainsi deux fois réfléchie est focalisée par l'optique 18 de la caméra 11 axiale et vient frapper le capteur 20, qui acquiert ainsi une première image déformée du mouchetis projeté sur l'objet 2.

N003 B003 FR NOOMEO TQD Grâce à la disposition particulière, décrite ci-dessus, de la caméra 11 axiale, l'axe 19 de visée axiale est virtuellement confondu avec l'axe 17 de projection. Autrement dit, bien que la caméra 11 axiale ne soit pas disposée physiquement sur l'axe 17 de projection, elle se trouve dans cet axe 17 dans la mesure où tout se passe comme si la lumière réfléchie par l'objet 2 et frappant le capteur 20 n'avait subi aucune déviation. L'interposition de la lame 21 séparatrice permet, en pratique, d'éviter l'occultation du projecteur 10 que provoquerait le montage physique de la caméra 11 axiale sur l'axe 17 de projection devant le projecteur 10. La portion de la surface éclairée de l'objet 2 située dans le champ de vision de la caméra 12 déportée, représentée sur la figure 8, émet une lumière réfléchie suivant l'axe 26 de visée déportée. Cette lumière est focalisée par l'optique 25 de la caméra déportée et vient frapper le capteur 27, qui acquiert ainsi une seconde image déformée du mouchetis projeté sur l'objet 2, simultanément à l'acquisition par le capteur 20 de la première image. Les images ainsi capturées sont transférées vers l'unité 7 de traitement, qui opère la reconstruction tridimensionnelle de la surface éclairée de l'objet 2 sur la triple base de ces deux images déformées du mouchetis, et de l'image non déformée du mouchetis telle que projetée sur un plan confondu avec le plan image du projecteur 10. Dans un premier temps, l'unité 7 de traitement effectue une mise en correspondance de l'image du mouchetis déformé issue de la caméra 12 déportée avec l'image du mouchetis déformé issu de la caméra 11 axiale. Cette mise en correspondance peut être effectuée pour chaque point du mouchetis, ou en une sélection de points prédéterminés, effectuée au sein de l'image non déformée.

Afin d'obtenir une construction aussi précise que possible, il est préférable que la mise en correspondance soit faite pour chaque point de l'image, c'est-à-dire, concrètement, pour chaque pixel de l'image acquise par le capteur de la caméra 12 déportée. Il va de soi que la précision de la construction dépend de la précision du capteur 27.

Le dimensionnement préféré proposé ci-dessus fournit, pour un capteur 27 comprenant de l'ordre de 1 million de pixels, une précision de l'ordre du dixième de mm, suffisante pour construire une image de N003 B003 FR_NOOMEO_TQD synthèse acceptable de tout type d'objet dont la taille est à échelle humaine. L'unité 7 de traitement effectue, à partir de cette mise en correspondance, une première reconstruction de la surface à numériser au moyen d'un calcul de triangulation, de sorte à obtenir un nuage de points. L'opération suivante consiste à compléter et affiner le nuage de points ainsi construit en appariant, pour l'ensemble des points du nuage ou pour une sélection de points, chaque point du mouchetis non déformé avec le point correspondant du mouchetis déformé. Pour chaque point, cet appariement peut être réalisé par corrélation, c'est-à-dire par approches successives au sein de zones qui, bien que présentant des disparités locales, apparaissent ressemblantes dans des régions voisines des deux images.

Une fois chaque point apparié, l'unité 7 de traitement mesure pour ce point la déviation subie, c'est-à-dire, le décalage dans l'image du mouchetis déformé de la position du point par rapport à sa position dans l'image du mouchetis non déformé. Chacune de ces images étant plane, l'unité de traitement décompose cette déviation en une composante horizontale (parallèlement à l'axe des abscisses) et une composante verticale (parallèlement à l'axe des ordonnées). L'unité 7 de traitement en déduit ensuite, par un calcul de triangulation effectué au sein de l'unité de traitement à partir des données issues du capteur, au moins la coordonnée de profondeur du point de l'image du mouchetis déformé correspondant au point sélectionné dans l'image du mouchetis non déformé. Compte tenu de l'inclinaison de l'axe 26 de visée déportée par rapport à l'axe 17 de projection, des occultations peuvent se produire dans l'image déformée, en raison notamment de reliefs à la surface de l'objet 2. L'unité 7 de traitement répète les opérations de comparaison, d'appariement (c'est-à-dire de corrélation), de mesure de la déviation des points sélectionnés et de calcul de la coordonnée de profondeur de chaque point pour l'image déformée du mouchetis telle que capturée et transmise par la caméra 11 axiale.

N003 B003 FR_NOOMEO_TQD Certains des points, déjà calculés à partir de l'image déformée issue de la caméra 12 déportée, sont ainsi recalculés et sont par conséquent redondants. Cette redondance est utilisée par l'unité 7 de traitement pour affiner la position tridimensionnelle de ces points à partir de la double mesure. Certains des points calculés à partir de l'image déformée issue de la caméra 11 axiale, cependant, peuvent correspondre à des zones occultées dans l'image déformée issue de la caméra 12 déportée. Ces points, non redondants, sont utilisés par l'unité 7 de traitement pour compléter les zones occultées. In fine, l'unité de traitement reconstruit ainsi une image de synthèse dense de la surface éclairée de l'objet 2, au moins dans la partie située à l'intersection des champs de vision des deux caméras 1 1 , 12. La configuration de l'appareil permet d'éviter les phénomènes d'occultation. Il n'est donc pas nécessaire d'effectuer plusieurs prises de vue d'une même surface pour en obtenir une reconstruction complète de celle-ci, au bénéfice de la simplicité et de la rapidité d'exécution. En outre, les deux caméras se complètent mutuellement : la caméra 11 axiale permet non seulement d'affiner les mesures issues de la caméra 12 déportée, mais aussi de compléter les zones éventuellement occultées, tandis que la caméra 12 déportée permet d'obtenir une reconstruction de la surface au voisinage de l'axe de projection, où la faiblesse de l'angle solide du champ de vision de la caméra 11 axiale ne permet pas d'obtenir une précision suffisante des mesures. Les opérations de prise de vue pourront être répétées à volonté sur différentes faces de l'objet, de sorte à obtenir une reconstruction complète de celui-ci. Des opérations classiques de couture seront prévues pour joindre les différentes surfaces reconstruites. N003 B003 FF NOOMEO TQD

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de construction d'une image de synthèse d'une surface tridimensionnelle d'un objet (2) physique, ce dispositif comprenant : - un projecteur (10) agencé pour projeter, suivant un axe optique (17) de projection, une image d'un motif comprenant une multitude de points d'intensités lumineuses et/ou de couleurs prédéterminées, le projecteur (10) étant agencé pour que l'image du motif soit nette dans un plan image prédéterminé perpendiculaire à l'axe (17) de projection ; - une caméra (11) axiale pointant en direction du plan image et présentant un axe optique (19) de visée axiale, la caméra (11) axiale étant positionnée de sorte que son axe (19) de visée forme avec l'axe de projection un angle (a) nul ; - une caméra (12) déportée pointant en direction du plan image et présentant un axe optique (26) de visée déportée, cette caméra (12) étant positionnée de sorte que son (26) axe de visée forme avec l'axe (17) de projection un angle non nul.
2. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel la caméra (12) déportée est positionnée de sorte que l'intersection de son axe (26) de visée et de l'axe de projection soit située sensiblement dans le plan image.
3. 3. Dispositif (1) selon la revendication 2, dans lequel la caméra (12) déportée comprend une optique (25) de focalisation définissant l'axe (26) de visée de la caméra (12), et un capteur (27) optique positionné sensiblement dans un plan image de l'optique (25) de visée correspondant à un plan objet contenant le point de l'axe de projection situé dans le plan image du projecteur (10).
4. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la caméra (11) axiale comprend une optique (18) de focalisation définissant l'axe (17) de visée de la caméra (11), et un capteur (20) optique positionné sensiblement dans un plan image de l'optique (12) de focalisation correspondant à un plan objet sensiblement confondu avec le plan image du projecteur (10). N003 B003 FR_NOOMEO_TQD
5. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, qui comprend une lame (21) séparatrice placée sur l'axe (17) de projection, et en regard de laquelle est positionnée la caméra (Il) axiale.
6. 6. Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel la distance de la caméra (11) axiale à la lame (21) séparatrice est inférieure à la distance du projecteur (10) à la lame (21) séparatrice.
7. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 6, qui comprend deux pointeurs (29, 30) agencés pour émettre deux rayons lumineux se croisant en un point (33) d'intersection situé sur l'axe (17) de projection.
8. 8. Dispositif (1) selon la revendication 7, dans lequel les pointeurs (29, 30) sont positionnés pour que le point (33) d'intersection des rayons des pointeurs (29, 30) se trouve sensiblement dans le plan image du projecteur (10).
9. 9. Dispositif (1) selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les pointeurs (29, 30) sont des lasers. N003 B003 FR_NOOMEO_TQD