FR3117248A1

FR3117248A1 - Procédé vidéo d’analyse d’une structure mécanique sous charge par amplification de petit déplacement

Info

Publication number: FR3117248A1
Application number: FR2012918A
Authority: FR
Inventors: Julien Christian Pascal GRIFFATON
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: FR3117248B1

Abstract

Procédé d’analyse d’une structure mécanique sous charge statique par amplification vidéo de petit déplacement, consistant à : a. acquérir (100) une pluralité d’images (A, B, C) de la structure mécanique, avec des première et seconde images (A, C) montrant la structure mécanique sous chargement minimal et maximal ; b. ordonnancer (102), selon un ordre chronologique, les images, lesdites première (A) et seconde (C) images constituant le début et la fin de cet ordre chronologique, pour fournir une séquence (ABC) d’images chronologique ; c. générer (104), à partir de la séquence (ABC), une vidéo (V1) d’animation de la structure mécanique sous forme d’une oscillation sinusoïdale ; d. amplifier (106) ladite vidéo d’animation (V1) en utilisant un algorithme d’amplification visuelle de petites vibrations pour obtenir une vidéo amplifiée (V2) ; e. analyser (108), dans la vidéo amplifiée (V2), un petit déplacement de la structure mécanique. Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

Procédé vidéo d’analyse d’une structure mécanique sous charge par amplification de petit déplacement

La présente divulgation relève du domaine des essais de chargement de structures mécaniques.

Plus précisément, la présente divulgation s’intéresse à l’analyse de petits déplacements ou de petites déformations de structures mécaniques sous charge à l’aide de photographies ou d’enregistrements vidéo.

L’article intitulé « Motion Microscopy for Visualizing and Quantifying Small Motions » de Neal Wadhwa et al., publié le 31 octobre 2017 dans Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 114, n°44, pages 11639 à 11644, ainsi que ses éléments de support décrivent un traitement d’images vidéo dénommé « microscopie de mouvements » permettant d’amplifier de petits mouvements dans des séquences vidéo.

Dans cet article, cette microscopie de mouvements est appliquée entre autres à des problèmes d’analyse dans le domaine du génie mécanique. L’article couvre deux exemples concrets, à savoir l’analyse modale d’un pont suspendu et d’un tuyau en PVC qui sont chacun soumis à une excitation transitoire. Le pont et le tuyau excités sont filmés à l’aide d’une caméra. On applique alors un traitement d’images à la vidéo obtenue. Celui-ci permet de générer des vidéos modifiées. Dans chaque vidéo modifiée, l’oscillation de la structure mécanique à l’une de ses fréquences de résonance est artificiellement amplifiée. Ainsi, le comportement vibratoire de la structure mécanique peut être mieux appréhendé.

Toutefois, cette microscopie de mouvements connue permet uniquement d’amplifier des vibrations, à savoir des oscillations régulières autour d’un point d’équilibre.

Résumé

Un but de la présente divulgation est de surmonter cette limitation de la microscopie de mouvements traditionnelle et de la rendre applicable à l’analyse de petits déplacements ou de petites déformations de structures mécaniques sous charge.

Selon la présente divulgation, ce but est atteint avec un procédé vidéo d’analyse du comportement d’une structure mécanique soumise à un chargement statique ou alterné par amplification vidéo de petit déplacement de la structure mécanique, le procédé comprenant les étapes consistant à :
a. acquérir, lors de la soumission de la structure mécanique au chargement, une pluralité d’images de la structure mécanique, avec, au moins, une première image montrant la structure mécanique sous chargement minimal et une seconde image montrant la structure mécanique sous chargement maximal ;
b. ordonnancer, selon un ordre chronologique, les images acquises, lesdites première et seconde images constituant le début et la fin de cet ordre chronologique, et ainsi fournir une séquence d’images chronologique ;
c. générer, à partir de la séquence d’images, une vidéo artificielle d’animation répétitive du comportement de la structure mécanique sous forme d’une oscillation sinusoïdale ;
d. amplifier ladite vidéo d’animation en utilisant un algorithme d’amplification visuelle de petites vibrations pour ainsi obtenir une vidéo amplifiée ;
e. analyser, dans la vidéo amplifiée, un petit déplacement de la structure mécanique rendu perceptible à l’aide de l’amplification.

En effet, en créant une vidéo d’animation dans laquelle le petit déplacement singulier de la structure mécanique est répété en boucle sous forme d’une oscillation artificielle, on obtient une vidéo d’une vibration qui peut être amplifiée à l’aide de ladite microscopie de mouvements.

L’idée de la présente divulgation est de « leurrer » l’algorithme d’amplification qui est à la base de la microscopie de mouvements en synthétisant une vibration artificielle à partir d’un petit déplacement d’une structure mécanique sous charge.

Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre, indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- l’étape c comprend une interpolation temporelle d’images à partir de la séquence d’images pour ainsi obtenir une séquence d’images interpolées ;
- l’interpolation temporelle est réalisée de façon que la progression temporelle entre les images interpolées soit sinusoïdale ;
- l’étape c comprend en outre la concaténation de la séquence d’images interpolées avec cette même séquence ordonnée à l’envers pour ainsi obtenir une séquence d’images complète qui représente une période complète d’une oscillation sinusoïdale ;
- l’étape c comprend en outre la concaténation de plusieurs exemplaires de la séquence d’images complète pour ainsi obtenir ladite vidéo d’animation ;
- lors de l’étape a, les images sont réalisées en prenant plusieurs photographies de la structure mécanique lors de sa soumission au chargement ;
- lors de l’étape a, les images sont réalisées en filmant la structure mécanique lors de sa soumission au chargement ;
- lors de l’étape b, la séquence d’images chronologique est obtenue en ordonnant les images réalisées en fonction de la valeur du chargement qu’elles montrent.

Selon un autre aspect, il est proposé un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre de tout ou partie d’un procédé tel que défini ci-dessus lorsque ce programme est exécuté par un processeur.

Selon un autre aspect, il est proposé un support d’enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un tel programme.

Dans le contexte de la présente divulgation, on entend par « petit déplacement », « petite déformation », « petit mouvement » ou « petite vibration » des phénomènes qui sont difficilement perceptibles ou même imperceptibles à l’œil nu. En particulier, on considère que, dans une vidéo, un déplacement est un « petit » déplacement si son amplitude est inférieure ou égale à la taille d’un pixel des images de la vidéo.

Dans le contexte de la présente divulgation, on entend par « chargement » ou « charge » une force par unité de surface appliquée à une structure mécanique. L’unité du chargement est la même que celle de la pression, à savoir le pascal ou N/m².

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

montre un schéma d'une installation pour un essai de visualisation d'une petite déformation d'un pont soumis à un chargement statique selon la présente divulgation.

Fig. 2

montre un ordinogramme d'un procédé vidéo d'analyse du comportement singulier d'une structure mécanique soumise à un chargement statique ou alterné par amplification vidéo de petit déplacement de la structure mécanique selon la présente divulgation.

Fig. 3

montre un schéma illustrant les trois sous-étapes de génération d'une vidéo artificielle d'animation répétitive selon la présente divulgation.

Fig. 4

montre les résultats obtenus avec l'essai de visualisation illustré par la .

Dans ce qui suit, le procédé selon la présente divulgation va être illustré à l'aide d'un exemple concret.

Dans cet exemple concret, il s'agit de rendre visible une petite déformation d'un pont qui se produit lorsqu'un camion est arrêté au milieu du pont. Ce scénario est représenté à la . On distingue le pont 2 qui enjambe une vallée 4. Le pont 2 dispose de deux piliers 6 et d'un tablier 8.

Un camion 10 est garé devant le pont 2, prêt à rouler vers le milieu 12 du pont et à s’y arrêter. En garant le camion 10 au milieu 12 du pont, on soumet le pont 2 à un chargement statique. Ce chargement statique va très légèrement déformer le tablier 8 et cette déformation est imperceptible à l'œil nu. Grâce au procédé vidéo d'analyse de la présente divulgation, il devient possible de grossir artificiellement cette petite déformation, et ainsi de la visualiser.

On notera que, dans le contexte de la présente divulgation, le terme « déplacement » englobe non seulement un déplacement intégral de la structure mécanique analysée d'une première position vers une deuxième position, mais également les déformations de certaines parties de la structure mécanique analysée.

En outre, on s’intéresse ici en particulier à des comportements singuliers, c’est-à-dire à un déplacement individuel et/ou unique d’une structure mécanique, et non pas à des phénomènes vibratoires.

Dans l'exemple de la , le procédé vidéo d'analyse selon la présente divulgation est mis en œuvre à l'aide d'un appareil photographique 14, d’un calculateur 16 est d’une unité de visualisation 18 (par exemple un écran).

Lors de la soumission du pont 2 au poids du camion 10, on prend une pluralité de photographies du pont 2 à l'aide de l'appareil photographique 14. Ces photographies sont ensuite transmises au calculateur 16. Le calculateur 16 traite les photographies transmises pour ainsi générer une vidéo artificielle d'animation. Cette vidéo d'animation peut alors être visualisée sur l'écran 18.

On va maintenant décrire en détail le procédé vidéo d'analyse selon la présente divulgation, appliqué à l'exemple de la , et en référence aux figures 2 et 3.

On débute le procédé d’analyse en acquérant, lors de la soumission du pont 2 au poids du camion 10, une pluralité d'images (à savoir des photographies) du pont 2. Cette première étape correspond à l'étape 100 de la , dite étape d’acquisition. On notera que l’acquisition de photographies peut être remplacée par l'enregistrement d'un film. Dans ce cas de figure, il faudra alors extraire un certain nombre d'images du film réalisé.

Dans l'exemple de la , on suppose qu'on prend un total de trois photographies A, B et C. Les photos A et C sont également visibles à la .

Le nombre de photos réalisées peut varier. Un plus grand nombre de photos améliorera la qualité du traitement d'images ultérieur. En tout cas, il faut au minimum deux photographies, l'une montrant le pont 2 sous chargement minimale et l'autre montrant le pont 2 sous chargement maximal. Ces deux photographies correspondent aux images A et C de la . L’image A correspond au chargement minimal, c'est-à-dire au pont 2 sans camion 10, et l’image C correspond au chargement maximal, c'est-à-dire au pont 2 supportant pleinement le poids du camion 10 au milieu 12 de son tablier 8.

Ici, on a pris trois photographies A, B et C avec l'appareil photographique 14. Elles correspondent, respectivement, à une photo A du pont 2 sans camion 10, à une photo B du pont 2 avec le camion 10 en route vers le milieu 12 du tablier 8, et à une photo C du pont 2 avec le camion 10 en arrêt sur le pont au milieu 12 du tablier 8.

Une fois les photographies A, B et C réalisées, on procède alors à l'étape suivante 102.

Cette étape 102, dite étape d’ordonnancement, consiste à ordonner des photos réalisées. Par exemple, on peut ordonner les photographies A, B et C en fonction de la valeur du chargement qu'elle montre. On peut par exemple ordonner les photographies en fonction du chargement croissant. On notera qu'il est préférable de n'avoir qu'une photographie par valeur de chargement pour éviter des problèmes de définition de l'interpolation d'images qui va être décrite ultérieurement.

La photographie A qui montre le pont 2 sous chargement minimal est choisie comme le début de la séquence d'images ordonnée. La photographie C qui montre le pont 2 sous chargement maximal est choisie comme la fin de la séquence d'images ordonnée.

Une fois les photographies ordonnées, on attribue arbitrairement le temps t = 0 s à la première photographie A, et le temps t = 1 s à la dernière photographie C (cf. le cadre 103 à la ). De préférence, l'instant t attribué à chacune des photographies intermédiaires est défini par l'amplitude relative du chargement correspondant à cette photographie par rapport au chargement minimal et maximal. Dans l'exemple de la , on affecte le temps t = 0,7 s à la photographie intermédiaire B.

On a donc constitué une séquence d'images chronologiques ABC irrégulièrement cadencée dans le temps.

La prochaine étape 104, dite étape de génération de vidéo, consiste à générer, à partir de la séquence d'images ABC, une vidéo artificielle d'animation répétitive de la déformation du pont 2 sous forme d'une oscillation sinusoïdale.

Cette étape 104 comprend trois sous-étapes 104a, 104b et 104c.

L'étape 104a est une interpolation temporelle d'images I à partir de la séquence d'images ABC pour ainsi obtenir une séquence S1 d’images interpolées.

L'étape 104b est la concaténation de la séquence S1 d’images interpolées à sa séquence inverse pour ainsi obtenir une séquence d'images complète S2 qui représente une période complète d'une oscillation sinusoïdale.

L'étape 104c est la concaténation de plusieurs exemplaires de la séquence d'images complète S2 pour ainsi obtenir la vidéo d'animation V1.

Les sous-étapes 104a, 104b et 104c sont également illustrées à la .

Lors de l'étape d’interpolation d'images 104a, on définit une base de temps TS qui varie de façon sinusoïdale de t = 0 s à t = 1 s. Cette base de temps TS est illustrée par une courbe à la . Elle suit une demi-période sinusoïdale.

Plus précisément, on définit les N + 1 instants t_rde cette base de temps à l'aide de l'équation suivante :

avec r variant de 1 à N + 1.

N est un nombre naturel et son choix (cf. le cadre 101 à la ) est arbitraire. Un nombre N plus élevé permet d'avoir une plus grande fluidité dans la vidéo d'animation qui sera générée.

L'interpolation temporelle d'images I consiste alors à générer une image interpolée pour chaque instant t_rdéfini par la demi-sinusoïde TS. On obtient ainsi une séquence S1 d'images interpolées.

L’interpolation est réalisée à l'aide de l'un des nombreux algorithmes d'interpolation temporelle d'images connus de l'homme du métier. On pourra par exemple recourir au procédé décrit dans la demande de brevet EP 0 390 660 A1.

On précise ici que l'interpolation temporelle d'images à partir de la séquence d'images ABC revient à une interpolation d’amplitudes des voix de couleur des pixels des photographies A, B et C. Il s'agit d'une opération réalisée sur la séquence de photographies ABC en traitant indépendamment chaque pixel, et indépendamment chaque voie de couleur d’un pixel. Par exemple, en supposant que les photos suivent le format RGB, on fait d’abord l'interpolation temporelle de la couleur rouge du pixel le plus en haut à gauche des photographies A, B et C, puis celle de la couleur verte, etc., puis on traite un autre pixel jusqu'à voir traité toutes les voies de couleur de toutes les positions de pixel. Bien entendu, un tel traitement peut être effectué en parallèle.

La séquence S1 d’images I interpolées représente une évolution progressive du pont sans camion vers le pont avec camion, cette progressivité étant sinusoïdale. On a donc créé l'équivalent de la moitié d'une période d'oscillation du pont sans camion vers le pont avec camion. Cette demi-période s'étend sur une durée artificielle d'une seconde. En d'autres termes, si on visualise la séquence d'images S1 à une fréquence d’images régulière, on voit un « débattement » du pont 2 autour d'une position centrale de repos imaginaire située entre les positions des photos A et C.

Les segments (a) et (b) de la illustrent davantage le processus d'interpolation 104a. Comme on le voit dans le segment (a), on part de trois photos A, B et C ordonnées chronologiquement. Comme on le voit dans le segment (b), on génère onze images I interpolées B1 à B11. Le segment (b) illustre bien que l'interpolation temporelle 104a est réalisée de façon que la progression temporelle des images interpolées I de
t = 0 s à t = 1 s soit sinusoïdale.

Comme on le voit au segment (c) de la , dans une étape supplémentaire 104aa, les images interpolées peuvent être régulièrement ordonnées dans le temps pour obtenir une séquence régulière S1’.

Lors de l'étape suivante 104b, on procède à une symétrisation temporelle pour avoir une période complète de l'oscillation sinusoïdale. Concrètement, on concatène la séquence régulière S1’ (qui correspond à une demi-période) avec cette même séquence ordonnée à l'envers (séquence S1’’), en prenant soin de ne pas dupliquer la dernière image B 11 de la séquence S1’. On obtient ainsi une séquence d'images complète S2 qui correspond à une période complète.

Enfin, avec l'étape 104c, on concatène plusieurs fois la séquence d'images complète S2 pour ainsi constituer le film d'animation V1.

Le segment (d) de la représente la reconstitution temporelle d'une période complète. Le segment (e) de la représente le début de la constitution de la vidéo d'animation V1 en concaténant plusieurs séquences d'images complètes S2.

L’étape 104 de génération de la vidéo d'animation V1 est suivie d'une étape dite d'amplification 106. Lors de l'étape 106, on applique un algorithme d'amplification visuelle de petites vibrations à la vidéo d'animation V1 pour ainsi obtenir une vidéo amplifiée V2.

Les paramètres d'entrée utilisés par l'algorithme d'amplification de petites vibrations sont énumérés dans le cadre 105 à la . Il s'agit de la fréquence d'images de la vidéo d'animation V1 à amplifier, dénommé Fs, du facteur d'amplification désiré, et des fréquences de coupure basse et haute entre lesquelles se situe la fréquence cible d'amplification.

Dans l'exemple de la , on affecte au paramètre Fs une valeur de N Hertz. Dans notre exemple, la valeur de Fs est donc de 10 Hertz. On affecte à la fréquence de coupure basse une valeur de 0,4 Hz et à la fréquence de coupure haute une valeur de 0,6 Hz pour obtenir une amplification de l'oscillation artificielle qu'on a créée dans la vidéo d'animation V1 qui se situe à une fréquence de 0,5 Hz.

De manière plus générale, on peut affecter à Fs une valeur arbitraire. On peut par exemple choisir 30 Hz, qui est la fréquence d’images habituelle de la plupart des vidéos. La fréquence de coupure basse Fb est alors obtenue par la formule suivante : Fb = 0,9 x Fs/(2N). La fréquence de coupure haute Fh est obtenue par la formule suivante : Fh = 1,1 x Fs/(2N).

Il existe de nombreux algorithmes d'amplification de petites vibrations dans les vidéos qui pourront être mises en œuvre lors de l'étape 106. Par exemple, on peut recourir à l'algorithme présenté dans l'article «Phase- Based Video Motion Processing» de Neal Wadhwa et al., publié en juillet 2013 dansACM Transactions on Graphics, vol. 32, n° 4, article 80.

La vidéo amplifiée V2 obtenue à l'issue de l'étape 106 peut alors être analysée sur l'écran 18 lors d'une étape dite d'analyse 108.

Le dessin (c) de la donne une impression du résultat qu'on peut obtenir grâce au procédé vidéo d'analyse selon la présente divulgation.

Le dessin (c) représente la vidéo d'animation amplifiée V2. On distingue bien l'oscillation artificielle O de la partie centrale 12 du tablier 8 du pont 2 autour d'une position de repos. L'amplitude Q de cette oscillation O donne une impression de la taille de la petite déformation du pont 2 engendrée par le poids du camion 10. La vidéo amplifiée V2 permet de visualiser la déformation du pont 2 qui est imperceptible dans la photographie C (cf. le dessin (b) de la ).

Optionnellement, on peut extraire une image E de la vidéo amplifiée V2 pour pouvoir mieux analyser la petite déformation du pont 2, cf. le dessin (d) de la .

On notera que, typiquement, les étapes 102, 104 et 106 du procédé vidéo d’analyse sont exécutées par le calculateur 16.

On aura compris que, grâce à la présente divulgation, on peut désormais amplifier des petits déplacements et notamment des petites déformations acquis lors d’un chargement statique ou alterné en exploitant les algorithmes classiques d'amplification visuelle de petites vibrations dans les vidéos.

Le procédé selon la présente divulgation est applicable à tous les domaines où l'on souhaite interpréter les comportements d'une structure soumise à un chargement dans les cas où les déplacements engendrés sont petits.

On pourra par exemple envisager d'appliquer le procédé sur des essais de chargement d’aubes.

A l'aide du procédé, on pourrait aussi analyser les déformations de pièces lors d'essais de calibration, par exemple pour identifier ce qui se passe aux interfaces de chargement et d'encastrement.

Une autre application pourrait être l'analyse des ovalisations de carters.

Claims

Procédé vidéo d’analyse du comportement d’une structure mécanique (2) soumise à un chargement statique ou alterné par amplification vidéo de petit déplacement de la structure mécanique (2), le procédé comprenant les étapes consistant à :
acquérir (100), lors de la soumission de la structure mécanique (2) au chargement, une pluralité d’images (A, B, C) de la structure mécanique, avec, au moins, une première image (A) montrant la structure mécanique sous chargement minimal et une seconde image (C) montrant la structure mécanique sous chargement maximal ;

ordonnancer (102), selon un ordre chronologique, les images acquises, lesdites première (A) et seconde (C) images constituant le début et la fin de cet ordre chronologique, et ainsi fournir une séquence (ABC) d’images chronologique ;

générer (104), à partir de la séquence d’images (ABC), une vidéo artificielle (V1) d’animation répétitive du comportement de la structure mécanique (2) sous forme d’une oscillation sinusoïdale ;

amplifier (106) ladite vidéo d’animation (V1) en utilisant un algorithme d’amplification visuelle de petites vibrations pour ainsi obtenir une vidéo amplifiée (V2) ;

analyser (108), dans la vidéo amplifiée (V2), un petit déplacement de la structure mécanique (2) rendu perceptible à l’aide de l’amplification.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape c comprend une interpolation temporelle d’images (104a) à partir de la séquence d’images (ABC) pour ainsi obtenir une séquence d’images interpolées (S1).
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’interpolation temporelle (104a) est réalisée de façon que la progression temporelle entre les images interpolées (I) soit sinusoïdale.
Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l’étape c comprend en outre la concaténation (104b) de la séquence d’images interpolées (S1) avec cette même séquence ordonnée à l’envers (S1’’) pour ainsi obtenir une séquence d’images complète (S2) qui représente une période complète d’une oscillation sinusoïdale.
Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’étape c comprend en outre la concaténation (104c) de plusieurs exemplaires de la séquence d’images complète (S2) pour ainsi obtenir ladite vidéo d’animation (V1).
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape a, les images (A, B, C) sont réalisées en prenant plusieurs photographies de la structure mécanique (2) lors de sa soumission au chargement.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, lors de l’étape a, les images (A, B, C) sont réalisées en filmant la structure mécanique (2) lors de sa soumission au chargement.
Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lors de l’étape b, la séquence d’images chronologique (ABC) est obtenue en ordonnant les images réalisées (A, B, C) en fonction de la valeur du chargement qu’elles montrent.
Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
Support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme informatique selon la revendication précédente.