FR3071343A1 - Dispositif de determination de l'angle de rotation d'une piece - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un dispositif de détermination de l'angle de rotation d'une pièce (2) montée mobile autour d'un axe de rotation (X) et comportant une tranche périphérique (3). Dispositif caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (4) de prise de vues de ladite tranche (3) et une unité de traitement (6) apte et destinée à exploiter une partie au moins des pixels constituant les images fournies successivement par le moyen de prise de vues (4) pour déterminer la position angulaire courante de la pièce ou de l'organe (2) apte à tourner autour de l'axe de rotation (X), ledit bord ou ladite tranche (3) étant pourvu(e) d'un encodage colorimétrique (5) formé d'une pluralité de zones colorées (5') différentes se succédant circonférentiellement selon un ordonnancement prédéterminé.
Description
DESCRIPTION
La présente invention concerne le domaine de la mesure et du contrôle, plus particulièrement de la détermination de la position et du mouvement d’un objet mobile en rotation, et plus spécifiquement du suivi de la rotation d’un objet manipulé par un opérateur humain, tel qu’un bouton rotatif ou une molette rotatoire d’une unité de commande, par exemple d’une poignée de commande d’un système d’endoscope rigide ou flexible.
L’invention a plus précisément pour objet un dispositif et un procédé pour la détermination de la position angulaire et le suivi de la rotation d’au moins un organe rotatoire, plus particulièrement en forme de roue crantée ou de molette, manipulé par un utilisateur et formant organe de commande. L’invention a également pour objet un système endoscopique comprenant un tel dispositif.
Il existe déjà de nombreux dispositifs du type précité mettant en œuvre des technologies de natures différentes, à savoir, magnétique, électrique, radiofréquence ou mécanique (cf. WO 2014060151, EP 1 2170 221, WO 2012108422 et ER 3012989).
Toutefois, ces techniques présentent toutes un ou plusieurs des inconvénients suivants : manque de précision (résolution insuffisante pour certaines applications, présence d’un jeu, ...), manque de flexibilité (interruption de la mesure, absence de transmission de signaux, ...), usure dans la durée et nécessité d’une maintenance récurrente, présence d’un couple résistant au mouvement (mécanique, magnétique, ...), nécessité d’une isolation électrique et d’une étanchéité parfaites au niveau de la zone de mesure, inadaptation pour certains environnements et contextes de mise en œuvre, constructions complexes et onéreuses.
Notamment pour surmonter certains de ces inconvénients, des solutions reposant sur des technologies optiques ont également été proposées, avec mise en œuvre d’approches variées telles que par exemple :
- utilisation de lumière polarisée (EP 2 662 868) ;
- mise en œuvre d’un ensemble émetteur/récepteur associé à un élément mobile coloré ou discriminant en termes de couleurs (disque avec des secteurs angulaires de couleurs différentes), tel que par exemple divulgué dans
EP 1431 713 ou US 5216245, avec éventuellement réalisation d’une analyse spectrale (cf. JP H11264743) ;
- mise en œuvre de la détection d’une caractéristique d’image dans un motif géométrique régulier appliqué sur l’objet ou l’élément en mouvement (cf. US 2008089588) ;
- mise en œuvre de marqueurs réfléchissants disposés sur la périphérie de l’organe tournant, associés à un ensemble émetteur-récepteur (cf. WO 2004/011878).
Néanmoins, ces solutions et ces dispositifs connus reposant sur un principe ou une technologie optique imposent pour un fonctionnement correct, d’une part, d’avoir une distance constante entre le capteur/détecteur et la surface de l’organe/objet tournant et, d’autre part, l’absence d’occlusion partielle ou totale du champ de vision/détection.
Or, en particulier dans le cas d’organes manipulés par un opérateur, tels que des boutons, des roues ou des molettes rotatoires, la main et certains doigts peuvent, au cours de la manipulation, occulter une partie de l’organe (pour autant que ce dernier puisse être actionné manuellement), mettant ainsi en défaut les solutions connues de nature optique précitées. Pour certaines d’entre elles, une modification profonde de la manière dont l’opérateur manipule l’organe pourrait permettre une détection continue sans occultation, mais il en résulterait une perturbation profonde du geste de l’opérateur et une dégradation inacceptable du confort d’utilisation.
En outre, ces solutions ne sont adaptées qu’à un organe mobile déterminé, avec lequel chacune d’entre elles a été spécifiquement développée : elles ne sont pas ou que difficilement adaptables à un autre organe, et ne peuvent généralement pas être aisément rapportées dans un système qui ne l’intègre pas à l’origine.
Enfin, la plupart des solutions de nature optique connues requièrent une calibration complexe et l’utilisation de composants onéreux.
Ainsi, il existe un besoin non satisfait pour un dispositif de détermination et de suivi de l’angle de rotation d’un organe sous forme de roue, de disque, de molette ou de couronne de forme régulière ou non, en particulier d’une roue ou d’une molette de commande pouvant être actionnée manuellement par un opérateur, ce dispositif devant notamment permettre de surmonter au moins certains, avantageusement la plupart des,
-3 et préférentiellement tous les, inconvénients et limitations mentionnés cidessus.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de détermination de l’angle de rotation d’une pièce, formant par exemple un organe de commande ou assujettie à un tel organe, qui est montée mobile autour d’un axe de rotation, ladite pièce comportant un bord ou une tranche périphérique, dispositif caractérisé en ce qu’il comprend un moyen de prise de vues, tel qu’une caméra vidéo, orienté et cadré de telle manière qu’une portion déterminée dudit bord ou de ladite tranche est située en permanence dans son champ de vision, en ce que ledit bord ou ladite tranche est pourvu(e) d’un encodage colorimétrique formé d’une pluralité de zones colorées distinctes ou différentiables se succédant circonférentiellement selon un ordonnancement prédéterminé, et en ce qu’il comprend également une unité de traitement apte et destinée à exploiter une partie au moins des pixels constituant les images fournies successivement par le moyen de prise de vues pour déterminer la position angulaire courante de la pièce ou de l’organe apte à tourner autour de l’axe de rotation, ce par similarité, approximation et/ou extrapolation et en effectuant une comparaison entre des informations colorimétriques extraites desdites images successives et des informations de même type d’une table de correspondance préétablie, de manière à fournir une valeur de position angulaire courante exacte ou approximée de la pièce ou de l’organe, qui est fonction desdites informations colorimétriques lesquelles évoluent lors d’un déplacement en rotation de ladite pièce ou dudit organe.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ciaprès, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
la figure 1 est une représentation schématique d’un dispositif pour la détermination de la position, du déplacement et/ou de la vitesse angulaire d’une pièce ou d’un organe rotatoire, selon un mode de réalisation de l’invention ;
les figures 2A et 3 A sont des vues schématiques latérales d'une poignée de commande d’un endoscope, équipée d'une partie des
-4composantes constituant un dispositif selon l'invention, l'une des molettes de commande rotatoires de la poignée ayant effectué un déplacement en rotation entre les deux vues ;
les figures 2B et 3B sont des représentations schématiques des images vues par la caméra montée sur la poignée des figures 2A et 3A, montrant les deux positions en rotation de la molette de commande dont la tranche apparaît dans les deux images (qui correspondent respectivement aux positions des figures 2A et 3A) ;
la figure 4A est un schéma illustrant le spectre colorimétrique avec le positionnement (par des cercles) des K couleurs clefs ou singulières utilisées pour créer les zones colorées de segmentation de la circonférence de la pièce ou de l’organe rotatoire à suivre, dans le cas d’un moyen de prise de vue idéal ;
la figure 4B est un schéma illustrant le spectre colorimétrique avec le positionnement (par des cercles) des K couleurs clefs ou singulières utilisées pour créer les zones colorées de segmentation de la circonférence de la pièce ou de l’organe rotatoire à suivre, dans le cas d’un moyen de prise de vue réel (non parfait) ;
la figure 5 est une représentation sous forme de courbe illustrant, en fonction de la couleur, la valeur de teinte perçue par la caméra du dispositif selon l’invention (en ordonnée) en fonction de la valeur de teinte théorique (en abscisse), les points repérables sur la courbe représentée correspondant aux couleurs clefs choisies dans l’exemple considéré, et, les figures 6A et 6B illustrent schématiquement les deux principales étapes opératoires du procédé selon l’invention, à savoir, l’acquisition de prises de vues successives d’une portion de la tranche de la pièce ou de l’organe rotatif (figure 6A) et la comparaison des informations colorimétriques extraites de chaque image avec une table de correspondance pour déterminer la position courante (angle de rotation) de ladite pièce ou dudit organe (figure 6B), la figure 6B illustrant également la phase préliminaire de génération de la table de correspondance.
Les figures 1, 2, 3 et 6 montrent de manière schématique, au moins partiellement, un dispositif 1 de détermination de l’angle de rotation d’une pièce 2, formant par exemple un organe de commande ou assujettie à un tel organe, qui est montée mobile autour d’un axe de rotation X, ladite pièce 2 comportant un bord ou une tranche périphérique 3.
-5 Conformément à l’invention, ce dispositif 1 comprend un moyen 4 de prise de vues, tel qu’une caméra vidéo, orienté et cadré de telle manière qu’une portion déterminée 3’ dudit bord ou de ladite tranche 3 est située en permanence dans son champ de vision 4’.
De plus, ledit bord ou ladite tranche 3 est pourvu(e) d’un encodage colorimétrique 5 formé d’une pluralité de zones colorées 5’ distinctes ou différentiables se succédant circonférentiellement selon un ordonnancement prédéterminé.
Enfin, ce dispositif 1 comprend également une unité de traitement 6 apte et destinée à exploiter une partie 7’ au moins des pixels constituant les images 7 fournies successivement par le moyen de prise de vues 4 pour déterminer la position angulaire courante de la pièce ou de l’organe 2 apte à tourner autour de l’axe de rotation X, ce par similarité, approximation et/ou extrapolation et en effectuant une comparaison entre des informations colorimétriques extraites desdites images 7 successives et des informations de même type d’une table de correspondance 8 préétablie, de manière à fournir une valeur a de position angulaire courante exacte ou approximée de la pièce ou de l’organe 2, qui est fonction desdites informations colorimétriques lesquelles évoluent lors d’un déplacement en rotation de ladite pièce ou dudit organe 2.
L’unité de traitement 6, par exemple du type informatique, est associée à ou comprend une mémoire de stockage 6’ dans laquelle la table de correspondance 8 est enregistrée. Elle stocke également les résultats des différentes déterminations angulaires successives, notamment en vue de leur évaluation ultérieure.
La détermination automatique de l’angle de rotation, par ce dispositif, basé sur l'analyse d'images, est préférentiellement réalisée en quasi temps réel et peut permettre la détermination d’autres paramètres liés au mouvement de la pièce ou de l’organe 2, comme la position angulaire absolue par rapport à une position de référence, l’ampleur du déplacement sur une durée ou en totalité, la vitesse instantanée de rotation, la vitesse moyenne de rotation, etc.
On peut relever que le dispositif 1 est simple, est non intrusif, est aisément adaptable sur un système existant, ne nécessite pas une forme régulière ou constante de la pièce ou de l’organe 2, est non lié à une construction particulière du système support, peut fonctionner quasiment indépendamment de la distance entre le moyen 4 de prise de vues et la pièce
-6ou l’organe 2 (seule la distinction des différentes couleurs clefs ou singulières entre elles est nécessaire) et supporte des occlusions au moins partielles du champ de vision 4’, sans perte de l’information de position angulaire courante.
L’homme du métier notera également que les moyens matériels nécessaires pour la mise en œuvre de l’invention sont très limités : moyen de prise de vues 4, encodage colorimétrique 5 et unité de traitement 6.
Comme cela ressort directement des figures 1, 2, 3 et 6A, et indirectement de la vue de la portion 3’ de la tranche 3 de l’organe 2 présente dans les images des figures 2B et 3B, le moyen 4 de prise de vues est positionné de telle manière que son axe XP de prise de vues est situé dans un plan PP sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation X, et préférentiellement orienté perpendiculairement audit axe X, ledit plan perpendiculaire PP passant avantageusement dans l’épaisseur de la pièce ou de l’organe 2, préférentiellement perpendiculairement à sa tranche 3.
Avantageusement, l’encodage colorimétrique 5 consiste en une subdivision de la circonférence de la tranche 3 périphérique en un nombre N de zones 5’ distinctes, dont chacune présente une couleur choisie parmi K couleurs ou teintes dites clefs ou singulières, perceptibles et différentiables individuellement par le moyen 4 de prise de vues, ces différentes couleurs et/ou teintes clefs étant avantageusement réparties de manière homogène dans l’espace ou la palette globale de couleurs et/ou de teintes perceptibles par ledit moyen 4 de prise de vues.
Préférentiellement, les différentes zones colorées 5’ présentent des extensions circonférentielles sensiblement identiques, le nombre et la taille desdites zones colorées 5’ étant définis de telle manière qu’au moins trois zones 5’ soient en permanence présentes dans le champ de vision 4’ de vision du moyen 4 de prise de vues, quelle que soit la position angulaire en rotation de la pièce ou de l’organe 2 autour de l’axe X.
En accord avec un mode de réalisation pratique particulièrement avantageux, l’ordre de succession des N zones colorées 5’ juxtaposées sur la circonférence périphérique de la pièce ou de l’organe rotatoire 2 correspond au résultat d’un traitement algorithmique probabiliste, avantageusement d’un algorithme du type méthode de MonteCarlo, paramétré de telle manière que toute séquence de zones colorées 5’ visible à un instant donné dans le champ de vision 4’ du moyen 4 de prise de vues soit unique, par l'ordre de succession circonférentielle des couleurs
-7 et teintes desdites zones 5' et, le cas échéant, leurs étendues relatives respectives dans ledit champ de vision 4’, et corresponde à une position angulaire unique de ladite pièce 2 autour de son axe de rotation X.
Afin de limiter les ressources informatiques nécessaires à une détermination de la position angulaire et de permettre sa détermination en temps réel, il peut être prévu de ne traiter qu’une partie sélectionnée 7’ des pixels des images 7 successivement acquises par le moyen 4.
Conformément à une variante avantageuse, cette partie 7’des pixels exploitée par l’unité de traitement 6 correspond à une ligne ou une bande d’au moins deux lignes de pixels de référence dans chaque image 7, ladite ou lesdites ligne(s) de pixels 7’ correspondant avantageusement à l’intersection du plan de l’image 7 concernée avec un plan perpendiculaire PPàl’ axe de rotation X de la pièce ou de l’organe 2 rotatoire.
Comme cela ressort des figures 4B et 5 des dessins annexés, la table de correspondance 8 préétablie et consultable par l’unité de traitement 6 peut comprendre des coordonnées normalisées précalculées correspondant à des positions en rotation possibles de la pièce rotatoire 2 susceptibles d’être observées par le moyen 4 de prise de vues, ces coordonnées normalisées reposant sur les positions des centres de gravité respectifs des différentes zones colorées 5’ réparties sur le pourtour extérieur de la tranche 3 de ladite pièce 2.
Bien entendu, et selon un premier mode de réalisation pratique de l’invention, les zones colorées 5’ sont intégrées dans la tranche périphérique 3 de la pièce rotatoire 2, soit d’un seul tenant, soit sous forme d’inserts ou de plaquettes.
Selon un second mode de réalisation, permettant de greffer le dispositif 1 selon l’invention sur un système existant comportant au moins une pièce ou un organe 2 rotatif dont la position angulaire doit être déterminée, les zones colorées 5’ peuvent être rapportées individuellement ou collectivement sur la tranche 3 de la pièce rotatoire 2, par exemple par collage, par emboîtement ou par montage avec déformation élastique.
Les zones colorées 5’ peuvent notamment être imprimées sur une bande de plastique ou de papier, présentant avantageusement une largeur au moins suffisante pour recouvrir la totalité ou une part substantielle de la tranche 3 et une longueur correspondant à la circonférence de cette dernière (ou éventuellement à une fraction de cette dernière, si plusieurs bandes sont utilisées).
-8En accord avec une application de l’invention visée plus particulièrement dans la présente, et comme cela ressort des figures 2A et 3A, la pièce 2 peut consister en une roue ou une molette crantée, par exemple une roue ou molette de commande d’un endoscope, montée sur une poignée de commande 9 de ce dernier, le moyen de prise de vues pouvant consister en une caméra vidéo fixée sur ladite poignée 9, en regard de la tranche 3 de la pièce 2.
Dans ce qui précède, l’invention a été décrite plus spécifiquement en relation avec une seule roue ou un seul organe rotatif 2.
Néanmoins, l’invention couvre également les cas où plusieurs, et notamment au moins deux tels organes ou pièces 2 sont concernés, chacun(e) présentant son propre déplacement, indépendant de l’autre.
Ainsi, et comme le montrent schématiquement les figures 2 et 3 en relation avec une application endoscopique, il peut être prévu que le champ de vision 4’ du moyen de prise de vues 4 englobe deux pièces rotatoires 2, 2’, mutuellement superposées et tournant autour du même axe de rotation X ou de deux axes concentriques, les deux pièces 2, 2’ présentant des dimensions radiales éventuellement différentes et des encodages colorimétriques 5 différents, préférentiellement la même unité de traitement 6 déterminant la position angulaire et/ou la vitesse de rotation de chacune des deux pièces 2, 2’ (une seule tranche est visible sur les figures 2B et 3B).
Chaque pièce 2, 2’ peut être analysée de manière totalement indépendante de l’autre, mais en utilisant éventuellement le même moyen de prise de vues 4 et en extrayant dans chaque image 7 une partie de pixel 7’ propre à chaque encodage colorimétrique 5, et donc à chaque pièce 2.
En relation avec une application pratique utile du dispositif 1 décrit ci-dessus, l’invention vise également un système d’entraînement à la manipulation d’un endoscope, comprenant un endoscope pourvu d’au moins un bouton ou une molette de commande rotatoire, faisant par exemple partie d’une poignée de commande 9 dudit endoscope.
Ce système est caractérisé en ce qu’il comprend également un dispositif 1 tel que décrit ci-dessus, associé à un moyen d’enregistrement, sur la durée, des positions et/ou vitesses angulaires successives déterminées par ledit dispositif 1.
Dans ce qui suit, les différents aspects matériels de l’invention sont décrits plus en détail, de manière non limitative, afin d’illustrer des
-9exemples pratiques de réalisation et d’exposer des variantes pratiques de mise en œuvre.
Dans sa variante préférée, l’invention porte sur un dispositif 1 de détermination de l'angle de rotation d'une pièce mobile, tournant autour d'un axe X et manipulable par une main en utilisant une technique optique.
La spécificité du dispositif 1 est qu'il est à faible coût et adaptable à n'importe quelle pièce 2, car il ne requiert qu'une caméra 4 placée transversalement. En effet, le dispositif de détermination 1 n'est ni sensible à la distance caméra 4 - pièce mobile 2, ni sensible aux conditions lumineuses.
Afin de ne pas gêner la manipulation de la pièce 2 sous forme de roue de commande par la main, le dispositif 1 s’adapte, grâce à une forme souple et collante, à la pièce 2 et tolère en partie que des portions de ladite pièce 2 soient cachées, pour le moyen de prise de vues 4 (par exemple une caméra), par les doigts du manipulateur.
Afin de déterminer l'angle de rotation de la pièce 2 mobile, la tranche 3 de celle-ci est équipée (figure 5) d'un encodage colorimétrique 5 composé d'une série de zones 5’ colorées. L’ordonnancement des zones colorées 5’ est choisi de telle manière que, pour chaque rotation de la pièce mobile 2, la disposition des couleurs visibles dans le champ de vision 4’ de la caméra 4 permette une détermination unique de l'angle a. Le dispositif 1 est capable de déterminer l'angle a même lors d’occlusions partielles ou totales des zones 5’ de couleurs, qui pourraient résulter d'une interaction mécanique avec la pièce mobile 2 (rotation par une main, un outil). Le dispositif 1 fonctionne pour une large gamme de distances entre la caméra 4 et la pièce mobile 2.
De plus, aux zones colorées 5’ périphériques présentes sur la tranche 3 peuvent éventuellement être associées des zones de couleurs identiques sur le dessus de la pièce 2, par exemple de forme triangulaire (quartiers de fromages) pour une pièce de forme générale circulaire.
Ces zones triangulaires prolongeraient alors l’encodage colorimétrique 5 de la tranche 3 sur le dessus et pourraient le cas échéant être aussi prises en compte par le moyen 4 (surface d’encodage additionnelle rendant plus robuste le dispositif 1 par rapport aux occlusions).
L’invention a également pour objet, comme cela ressort aussi des figures annexées (surtout des figures 1, 6A et 6B), un procédé de
- 10détermination de l’angle de rotation, notamment de la position et/ou de la vitesse angulaire, d’une pièce 2 autour d’un axe de rotation X, ladite pièce 2 comportant un bord ou une tranche périphérique 3 et formant par exemple un organe de commande.
Ce procédé consiste essentiellement, en utilisant le dispositif 1 décrit précédemment et qui comprend, d’une part, un moyen 4 de prise de vues, tel qu’une caméra vidéo, et, d’autre part, une unité de traitement 6 apte et destinée à exploiter une partie 7’ au moins des pixels constituant les images 7 fournies successivement par ledit moyen 4 de prise de vues, à :
- orienter et cadrer le moyen prise de vues 4 de telle manière qu’une portion donnée 3’ dudit bord ou de ladite tranche 3 soit située en permanence dans son champ de vision 4’ ;
- pourvoir ledit bord ou ladite tranche 3’ d’un encodage colorimétrique 5 formé d’une pluralité de zones colorées 5’ distinctes ou différentiables se succédant circonférentiellement selon un ordonnancement prédéterminé ;
- déterminer la position angulaire courante de la pièce ou de l’organe 2 à partir de la partie 7’ des pixels exploitée, ce par similarité, approximation et/ou extrapolation en effectuant une comparaison entre des informations colorimétriques extraites desdites images 7 successives et des informations de même type stockées dans une table de correspondance 8 préétablie, et
- à fournir une valeur a de position angulaire courante exacte ou approximée de la pièce ou de l’organe 2 qui est fonction desdites informations colorimétriques évoluant lors d’un déplacement en rotation de ladite pièce ou dudit organe 2.
Dans le cadre de l’application évoquée précédemment, le procédé peut consister à enregistrer les mouvements rotatoires successifs de la pièce ou de l’organe 2 sur une durée déterminée correspondant, par exemple, à une séance d’entraînement à la manipulation d’un endoscope.
Avantageusement, les zones colorées 5’ sont définies, en termes de teintes, de dimensions et de nombre, en fonction de la longueur circonférentielle de la pièce rotatoire 2 et des résultats d’une exploration et d’une analyse de la gamme de couleurs et de teintes perceptible de manière différenciée par le moyen de prise de vues 4. De plus, il peut être
- 11 préférentiellement prévu de fournir un encodage couleur sous la forme d’une impression couleur sur une bande de film ou de papier adhésif, rapportée sur la tranche 3 de la pièce 2 rotatoire, l’impression couleur étant réalisée par une imprimante corrélée ou appairée avec le moyen de prise de vues 4.
Une description plus détaillée d’une mise en œuvre possible du procédé selon l’invention, mettant en œuvre le dispositif 1 évoqué précédemment va être exposé ci-après, à titre non limitatif.
Le procédé selon l’invention permet de mesurer la position angulaire et/ou la vitesse angulaire d'une pièce 2 mobile en rotation autour d'un axe X fictif ou matériel, traversant la pièce mobile 2 par exemple.
On définit avantageusement la tranche 3 de la pièce 2 comme un ensemble de surfaces substantiellement planes dont les tangentes sont substantiellement perpendiculaires audit axe X, et qui présente une surface apparente suffisante selon une direction perpendiculaire audit axe X.
Une caméra 4 est placée dans le plan normal PP à l'axe de rotation X. La caméra 4 est reliée à un système informatique 6”, permettant le traitement et l'analyse des signaux captés par la caméra 4. Le système informatique 6” comprend au moins l’unité 6 et la mémoire 6’, et peut comprendre également une interface utilisateur permettant à ce dernier d'interagir et de régler les paramètres de détection du dispositif 1.
La tranche 3 de la pièce 2 est recouverte d'une séquence de zones 5’ colorées. A l'aide de l'interface utilisateur du système informatique 6”, l'utilisateur définit une ligne de détection de telle manière que sous l'angle de vue de la caméra 4 celle-ci traverse les différentes zones colorées 5’ présentes sur la tranche 3 de la pièce mobile 2. La ligne de détection, qui sélectionne une partie 7’ de pixels des images 7, peut également être définie automatiquement par le système informatique 6’.
Le long de la ligne de détection, le système informatique 6” identifie les zones colorées 5’ en analysant les régions où la teinte est homogène. Les centres de gravité de ces régions xi ainsi que leur teinte hi sont reportés le long de cet axe en utilisant des coordonnées normalisées. Ces coordonnées sont comparées à une table de coordonnées ou de correspondance 8 pré-calculée qui correspond à toutes les configurations (c’est-à-dire positions en rotation) susceptibles d’être observées par la caméra 4 (plus la résolution stockée sera fine, plus l’approximation de position sera précise). La combinaison des positions et teintes {(xi,hi)} des
- 12régions observées est comparée à celles enregistrées dans la table 8. L’identification de la combinaison enregistrée qui est identique, ou au moins la plus similaire à celle observée, permet ainsi de retrouver l'angle de rotation a. Ainsi, la position angulaire est avantageusement déterminée par l’analyse des combinaisons des couples (teintes, positions relatives).
La fonction de calcul de similarité est capable de gérer des cas de coordonnées/couleurs manquantes qui seraient dus à des occlusions lors de la phase d'observation.
Afin de permettre la mesure de la position et/ou de la vitesse angulaire, la tranche 3 de la pièce mobile 2 présente des zones colorées 5’. Sous l'angle de vue de la caméra 4, ces zones colorées 5’ doivent couvrir au minimum plusieurs pixels. On peut noter que, lorsque N zones colorées 5’ sont prévues, seulement K couleurs différentes sont nécessaires, avec K<= N.
Ces zones colorées 5’ pourront être ajoutées sur la pièce mobile 2 par exemple au moyen de papier autocollant coloré ou d'une pièce flexible épousant la forme de ladite pièce mobile 2. Pour de nombreuses applications il sera avantageux d'ajouter les zones colorées sur la pièce mobile 2 sans altérer l'interaction potentielle d'un utilisateur avec cette pièce.
Un aspect pratique de l’invention vise la génération de la séquence de couleurs et l'indépendance des systèmes d'impression et de vision.
En effet, la mesure de la position et de la vitesse angulaire repose sur l'identification des couleurs des zones colorées et le dispositif 1 déduit de l'enchaînement des zones colorées 5’ qu'il détecte une position et/ou une vitesse angulaire. Les couleurs des zones colorées 5’ et leur ordonnancement doivent être choisis afin de permettre une détection robuste par le dispositif 1. La génération de la séquence de zones colorées 5’ se réalise en deux phases : le choix des couleurs qui seront attribuées aux différentes zones colorées 5’, puis le choix de l'ordre selon lequel seront placées ces zones colorées 5’ sur la circonférence de la tranche 3.
On choisit K couleurs différentes parmi toutes celles possibles pour les attribuer aux différentes zones colorées 5’, ces K couleurs pouvant être appelées couleurs clefs. Ces K couleurs sont représentées sur les figures 4A et 4B par des ronds blancs positionnés sur un dégradé contenant toutes les variations de couleur, soit 360° de teintes dans l’espace HSV,
- 13 couleur saturée. Le système informatique 6” peut choisir automatiquement K couleurs qui sont « équidistances » dans l’espace des teintes perçues par la caméra 4. La position des valeurs de teintes des couleurs clefs ainsi sélectionnées peut alors être reportée sur un dégradé représentant une échelle de teintes. La figure 4A présente un exemple de sélection de K couleurs clés dans le cas d’une caméra idéale.
Dans la pratique, les imprimantes ne sont généralement pas capables de reproduire fidèlement les couleurs. Il en est de même avec les caméras 4 qui ne peuvent capturer fidèlement la couleur. Afin de rendre le dispositif 1 indépendant de ce problème, il nous est proposé un algorithme qui choisit les couleurs les plus distinguables pour un couple appairé caméra/imprimante. Étant donnée une imprimante qui servira à imprimer la bande couleurs formant l’encodage colorimétrique 5 et la caméra qui servira à filmer la tranche 3 encodée de la pièce 2, un dégradé de couleurs, contenant l’ensemble des teintes possibles pour cette imprimante, est imprimé puis filmé par la caméra.
Dans le cas d’une imprimante couleur et d’une caméra idéales, ces positions seraient uniformément placées tous les 360/K le long du dégradé de couleurs contenant l’ensemble des teintes (cercles sur la figure 4A avec ici K=6). Pour gérer les variations de couleurs imprimées/perçues, l’algorithme détermine les couleurs (c'est-à-dire les couleurs clefs) afin qu’elles soient perçues par la caméra 4 utilisée comme équidistante dans l’espace des teintes perçues (figure 5). Les reprojections de celles-ci sur le dégradé de couleur (position relative de 0 à 360°) correspondent aux valeurs de teintes à imprimer (cercles sur la figure 4B)
La manipulation de la pièce mobile 2 par la main d'un utilisateur ou un outil peut entraîner des occlusions des zones colorées 5’ (dans le champ de vision 4’). La couleur de la main ou de l'outil peut également être confondue par le dispositif 1 avec l'une des couleurs clefs identifiées grâce à l'algorithme ci-dessus. Il y a donc lieu d'adapter l'algorithme de sélection de couleur de la méthode précédente afin d’exclure la couleur des doigts, recouverts ou non d’un gant de couleur.
Le gant/doigt est présenté antérieurement à la caméra 4 afin que le système/dispositif exclue cette couleur dans la recherche des K couleurs clefs, en cherchant les K couleurs équidistantes entre elles et distantes de la couleur du gant/doigt.
- 14Une fois la sélection des couleurs clefs effectuée, l’ordonnancement des couleurs est choisi de façon à garantir un encodage colorimétrique 5 menant à une détermination de la position et/ou de la vitesse angulaire sans ambiguïté et robuste aux occlusions. Pour cela un algorithme de type Monte-Carlo peut être employé. Cet algorithme va tester des ordonnancements de couleurs choisis au hasard et sélectionner les ordonnancements de couleurs vérifiant l'intégralité des critères suivants :
1. deux couleurs voisines sont différentes ;
2. parmi toutes les sous-séquences de V couleurs clefs (V étant le nombre de zones colorées visibles simultanément par la caméra 4 sans occlusions), toute suppression d’une couleur dans une sous-séquence ne la fait pas correspondre pas à un autre groupe de V couleurs voisines privé d’une couleur. (Cette étape a pour objectif de vérifier que les sousséquences mènent à une détermination non-ambigüe, ce malgré l'occlusion d'une zone colorée 5’) ;
3. parmi toutes les sous séquences de V couleurs clefs, la substitution de deux couleurs clefs par les deux autres couleurs clefs les plus proches dans la gamme colorimétrique, n’entraîne pas d’ambiguïté (le but de ce test est de pallier une erreur de détection des couleurs et donc d'augmenter la robustesse du système).
Une fois que la caméra 4 est placée de manière à avoir dans son champ de vision 4’ ou angle de vue, la tranche 3 de la pièce mobile 2 dont la position et/ou la vitesse angulaire doit être mesurée et que le codage colorimétrique 5 est défini, une ligne de pixels 7’, le long de laquelle les zones colorées 5’ doivent être recherchées et analysées par le dispositif 1, est définie.
Dans une variante de l'invention, l’unité de traitement du système informatique 6” analyse l'ensemble des pixels de l'image 7 afin de définir une ligne de pixels 7’ comprenant des pixels appartenant à chacune des zones colorées 5’ entrant dans le champ de vision 4’ de la caméra 4.
Dans une autre variante de l'invention, l'utilisateur définit la dite ligne de pixels 7’ au moyen de l'interface utilisateur du système informatique 6”.
Une application envisagée d'un tel dispositif 1 selon l’invention est l'analyse de la manipulation d'un endoscope flexible par un utilisateur.
- 15Afin de déterminer la dextérité d'un manipulateur, il est nécessaire d'enregistrer les gestes qu'il effectue sur un endoscope. Parmi ces gestes, le manipulateur est amené à tourner des molettes 2 sur cet endoscope et le dispositif 1 est en parfaite adéquation pour déterminer les variations d’angle de ceux-ci.
En effet, afin de ne pas modifier le comportement du chirurgien dans ses gestes, le dispositif 1 ne doit pas modifier la configuration de l'endoscope. Ainsi, en appliquant des bandes collantes colorées sur la tranche 3 des molettes 2 et en accrochant une caméra 4 (par exemple une « webcam » standard) sur le manche ou la poignée 9 de l'endoscope de manière à ce que la tranche 3 des molettes 2 soit dans le champ de vision 4’ de la caméra 4, le chirurgien manipule l’endoscope dans sa configuration d'origine.
L’endoscopiste étant amené à manipuler différents types d'endoscopes, le dispositif 1 devra avantageusement pouvoir s'adapter à chaque matériel. Grâce à l’encodage des teintes des couleurs avec des coordonnées normalisées, le dispositif 1 ne requiert aucun calibrage en termes de distance caméra-molette, ni en termes d'intensité lumineuse. Le faible coût et la facilité de mise en œuvre d'un tel dispositif 1 lui permettent ainsi d'être utilisé sur de nombreux sites.
La détection des occlusions par les mains de l’endoscopiste est facilitée par le fait qu’il porte des gants de couleurs que le système a appris.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
Claims (16)
- REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de détermination de l’angle de rotation d’une pièce (2), formant par exemple un organe de commande ou assujettie à un tel organe, qui est montée mobile autour d’un axe de rotation (X), ladite pièce (2) comportant un bord ou une tranche périphérique (3), dispositif (1) caractérisé en ce qu’il comprend un moyen (4) de prise de vues, tel qu’une caméra vidéo, orienté et cadré de telle manière qu’une portion déterminée (3’) dudit bord ou de ladite tranche (3) est située en permanence dans son champ de vision (4’), en ce que ledit bord ou ladite tranche (3) est pourvu(e) d’un encodage colorimétrique (5) formé d’une pluralité de zones colorées (5’) distinctes ou différentiables se succédant circonférentiellement selon un ordonnancement prédéterminé, et en ce qu’il comprend également une unité de traitement (6) apte et destinée à exploiter une partie (7’) au moins des pixels constituant les images (7) fournies successivement par le moyen de prise de vues (4) pour déterminer la position angulaire courante de la pièce ou de l’organe (2) apte à tourner autour de l’axe de rotation (X), ce par similarité, approximation et/ou extrapolation et en effectuant une comparaison entre des informations colorimétriques extraites desdites images (7) successives et des informations de même type d’une table de correspondance (8) préétablie, de manière à fournir une valeur (a) de position angulaire courante exacte ou approximée de la pièce ou de l’organe (2), qui est fonction desdites informations colorimétriques lesquelles évoluent lors d’un déplacement en rotation de ladite pièce ou dudit organe (2).
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (4) de prise de vues est positionné de telle manière que son axe (XP) de prise de vues est situé dans un plan (PP) sensiblement perpendiculaire à l’axe de rotation (X), et préférentiellement orienté perpendiculairement audit axe (X), ledit plan perpendiculaire (PP) passant avantageusement dans l’épaisseur de la pièce ou de l’organe (2), préférentiellement perpendiculairement à sa tranche (3).
- 3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l’encodage colorimétrique (5) consiste en une- 17subdivision de la circonférence de la tranche (3) périphérique en un nombre N de zones (5’) distinctes, dont chacune présente une couleur choisie parmi K couleurs ou teintes dites clefs ou singulières, perceptibles et différentiables individuellement par le moyen (4) de prise de vues, ces différentes couleurs et/ou teintes clefs étant avantageusement réparties de manière homogène dans l’espace ou la palette globale de couleurs et/ou de teintes perceptibles par ledit moyen (4) de prise de vues.
- 4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les différentes zones colorées (5’) présentent des extensions circonférentielles sensiblement identiques, le nombre et la taille desdites zones colorées (5’) étant définis de telle manière qu’au moins trois zones (5’) soient en permanence présentes dans le champ de vision (4’) de vision du moyen (4) de prise de vues, quelle que soit la position angulaire en rotation de la pièce ou de l’organe (2) autour de l’axe (X).
- 5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’ordre de succession des N zones colorées (5’) juxtaposées sur la circonférence périphérique de la pièce ou de l’organe rotatoire (2) correspond au résultat d’un traitement algorithmique probabiliste, avantageusement d’un algorithme du type méthode de MonteCarlo, paramétré de telle manière que toute séquence de zones colorées (5’) visible à un instant donné dans le champ de vision (4’) du moyen (4) de prise de vues soit unique, par l'ordre de succession circonférentielle des couleurs et teintes desdites zones (5') et, le cas échéant, leurs étendues relatives respectives dans ledit champ de vision (4’), et corresponde à une position angulaire unique de ladite pièce (2) autour de son axe de rotation (X)·
- 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie (7’) des pixels des images successives (7) exploitée par l’unité de traitement (6) correspond à une ligne ou une bande d’au moins deux lignes de pixels de référence dans chaque image (7), ladite ou lesdites ligne(s) de pixels (7’) correspondant avantageusement à l’intersection du plan de l’image (7) concernée avec un plan perpendiculaire (PP) à l’axe de rotation (X) de la pièce ou de l’organe (2) rotatoire.
- 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la table de correspondance (8) préétablie et consultable par l’unité de traitement (6) comprend des coordonnées normalisées précalculées correspondant à des positions en rotation possibles- 18de la pièce rotatoire (2) susceptibles d’être observées par le moyen (4) de prise de vues, ces coordonnées normalisées reposant sur les positions des centres de gravité respectifs des différentes zones colorées (5’) réparties sur le pourtour extérieur de la tranche (3) de ladite pièce (2).
- 8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les zones colorées (5’) sont intégrées dans la tranche périphérique (3) de la pièce rotatoire (2), soit d’un seul tenant, soit sous forme d’inserts ou de plaquettes.
- 9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les zones colorées (5’) sont rapportées individuellement ou collectivement sur la tranche (3) de la pièce rotatoire (2), par exemple par collage, par emboîtement ou par montage avec déformation élastique.
- 10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pièce rotatoire (2) consiste en une roue ou une molette crantée, par exemple une roue ou molette de commande d’un endoscope, montée sur une poignée de commande (9) de ce dernier, le moyen de prise de vues pouvant consister en une caméra vidéo fixée sur ladite poignée (9), en regard de la tranche (3) de la pièce (2).
- 11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le champ de vision (4’) du moyen de prise de vues (4) englobe deux pièces rotatoires (2, 2’), mutuellement superposées et tournant autour du même axe de rotation (X) ou de deux axes concentriques, les deux pièces (2, 2’) présentant des dimensions radiales éventuellement différentes et des encodages colorimétriques (5) différents, préférentiellement la même unité de traitement (6) déterminant la position angulaire et/ou la vitesse de rotation de chacune des deux pièces (2, 2’).
- 12. Système d’entraînement à la manipulation d’un endoscope, comprenant un endoscope pourvu d’au moins un bouton ou une molette de commande rotatoire, faisant par exemple partie d’une poignée de commande dudit endoscope, système caractérisé en ce qu’il comprend également un dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, associé à un moyen d’enregistrement, sur la durée, des positions et/ou vitesses angulaires successives déterminées par ledit dispositif.
- 13. Procédé de détermination de l’angle de rotation, notamment de la position et/ou de la vitesse angulaire, d’une pièce (2) autour d’un axe- 19de rotation (X), ladite pièce (2) comportant un bord ou une tranche périphérique (3) et formant par exemple un organe de commande, procédé caractérisé en ce qu’il consiste, en utilisant le dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 et qui comprend, d’une part, un moyen (4) de prise de vues, tel qu’une caméra vidéo, et, d’autre part, une unité de traitement (6) apte et destinée à exploiter une partie (7’) au moins des pixels constituant les images (7) fournies successivement par ledit moyen (4) de prise de vues, à :- orienter et cadrer le moyen prise de vues (4) de telle manière qu’une portion donnée (3’) dudit bord ou de ladite tranche (3) soit située en permanence dans son champ de vision (4’) ;- pourvoir ledit bord ou ladite tranche (3’) d’un encodage colorimétrique (5) formé d’une pluralité de zones colorées (5’) distinctes ou différentiables se succédant circonférentiellement selon un ordonnancement prédéterminé ;- déterminer la position angulaire courante de la pièce ou de l’organe (2) à partir de la partie (7’) des pixels exploitée, ce par similarité, approximation et/ou extrapolation en effectuant une comparaison entre des informations colorimétriques extraites desdites images (7) successives et des informations de même type stockées dans une table de correspondance (8) préétablie, et- à fournir une valeur (a) de position angulaire courante exacte ou approximée de la pièce ou de l’organe (2) qui est fonction desdites informations colorimétriques évoluant lors d’un déplacement en rotation de ladite pièce ou dudit organe (2).
- 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu’il consiste à enregistrer les mouvements rotatoires successifs de la pièce ou de l’organe (2) sur une durée déterminée correspondant, par exemple, à une séance d’entraînement à la manipulation d’un endoscope.
- 15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les zones colorées (5’) sont définies, en termes de teintes, de dimensions et de nombre, en fonction de la longueur circonférentielle de la pièce rotatoire (2) et des résultats d’une exploration et d’une analyse de la gamme de couleurs et de teintes perceptible de manière différenciée par le moyen de prise de vues (4).
- 16. Procédé selon l’une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu’il consiste à fournir un encodage couleur sous la forme 5 d’une impression couleur sur une bande de film ou de papier adhésif, rapportée sur la tranche (3) de la pièce (2) rotatoire, l’impression couleur étant réalisée par une imprimante corrélée ou appairée avec le moyen de prise de vues (4).
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| CN114688996B (zh) * | 2020-12-31 | 2023-11-03 | 北京华航无线电测量研究所 | 一种转台回转精度角度的测量方法 |
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