STOLZ, Christophe (77a rue du Docteur Rebillard, Le Creusot, Le Creusot, F-71200, FR)
GORRIA, Patrick (Ruère, Saint-Sernin-du-Bois, F-71200, FR)
SEULIN, Ralph (Chapey, Broye, F-71190, FR)
MOREL, Olivier (La Gougeotte, Saint-Julien-Sur-Dheune, F-71210, FR)
STOLZ, Christophe (77a rue du Docteur Rebillard, Le Creusot, Le Creusot, F-71200, FR)
GORRIA, Patrick (Ruère, Saint-Sernin-du-Bois, F-71200, FR)
SEULIN, Ralph (Chapey, Broye, F-71190, FR)
REVENDICATIONS
1 - Système (1) de reconstruction de surfaces par imagerie de polarisation comportant une caméra (2) unique en position polaire, un polariseur tournant (3), un dôme d'éclairage (4) et un ordinateur (5), caractérisé en ce qu'il comporte un réseau d'appareils d'éclairage (6) dont l'alimentation est pilotée, ledit réseau d'appareils d'éclairage (6) étant destiné à illuminer le dôme d'éclairage (4) selon quatre segments chevauchants couvrant chacun une demi-surface du dôme.
2 - Système (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau d'appareils d'éclairage (6) est situé à la périphérie interne du dôme (4) .
3 - Système (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les appareils d'éclairage sont des diodes électroluminescentes.
4 - Procédé de reconstruction d'une surface par imagerie de polarisation, mettant en œuvre le système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de construction d'une image I quad contenant l'information sur l'orientation des normales selon les quatre quadrants du dôme d'éclairage (4), à partir de quatre images provenant de l'éclairage de quatre segments du dôme couvrant chacun une demi-surface du dôme, de manière à ce que chaque quadrant soit couvert par deux desdits segments.
5 - Procédé de reconstruction par imagerie de polarisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte la succession des étapes suivantes :
- introduction de l'objet dont la surface doit être examinée sous le dôme d'illumination (4), dans l'axe de la caméra (2) ;
- illumination complète du dôme (4) ; démarrage de la rotation du polariseur (3) ; acquisition des images de polarisation pour les différentes valeurs de pas de rotation du polariseur (3), jusqu'à rotation complète ; - calcul du degré de polarisation p et de l'angle de polarisation φ ; illuminations successives de quatre demi-surfaces du dôme (4) couvrant chacune deux quadrants du dôme et acquisition des images d' intensité correspondantes ; construction de l'image segmentée I quad ; calcul de l'angle azimutal φ ; calcul des normales ; calcul de la surface à partir des normales obtenues ; affichage de la surface calculée.
6 - Utilisation du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 pour le contrôle de la surface d'objets fortement réfléchissants.
7 - Utilisation du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 pour l'inspection de l'estampage de plaques métalliques fortement réfléchissantes. |
PROCEDE ET SYSTEME DE RECONSTRUCTION DE SURFACES D'OBJETS PAR IMAGERIE DE POLARISATION
La présente invention a pour objet un procédé de reconstruction de la surface d'objets par imagerie de polarisation ainsi que le système de mise en œuvre d'un tel procédé. L'invention a également pour objet l'application du système et du procédé à l'inspection de surfaces métalliques fortement réfléchissantes.
Parmi les outils de contrôle qualité, les systèmes d'inspection visuelle automatique sont de plus en plus répandus. Toutefois, pour certains produits, ces systèmes présentent des limites et des contraintes d' application assez spécifiques.
En particulier dans le domaine des surfaces métalliques réfléchissantes, les reflets provenant de l'éclairage perturbent l'acquisition des images et nécessitent donc un confinement de l'objet à inspecter afin de maîtriser entièrement les paramètres d'éclairage.
Une première solution connue est d'utiliser des scanners lasers. Cette solution requiert une matification de l'objet, par poudrage. Elle nécessite donc une manipulation complexe de l'objet, peu compatible avec les contraintes industrielles de contrôle de production en ligne.
On connaît par ailleurs des systèmes basés sur les techniques de profilométrie comme par exemple le système « ONDULO » décrit dans la publication de Y. Surrel, G. Baséotto, Contrôles de défauts de forme par déflectométrie : diverses applications industrielles, Proc. Colloque francophone Méthodes et Techniques Optiques pour l'Industrie (1), pp.223-230, 2002. Ces systèmes sont particulièrement bien adaptés à la détection de défauts d'aspect sur des surfaces métalliques réfléchissantes à faible courbure. Ils s'avèrent toutefois délicats à utiliser pour des objets ayant des pentes importantes liées à la présence de motifs en relief.
Une autre technique est celle de reconstruction de la surface par imagerie de polarisation. L'information obtenue par les images de polarisation permet de reconstruire la forme des décors apparaissant à la surface. Par comparaison des données de la surface mesurée avec la surface théorique, on en déduit si l'objet examiné est conforme ou non.
On rappellera brièvement les éléments théoriques soustendants cette technique de reconstruction par imagerie de polarisation, en référence à- la figure 1.
Après réflexion sur la surface SR de l'objet à inspecter, la lumière non polarisée OI devient partiellement linéairement polarisée. En étudiant les paramètres de la lumière polarisée réfléchie OR, on parvient à calculer la normale en tous points de la surface grâce au modèle de réflexion de FRESNEL. La surface tridimensionnelle de l'objet examiné est ensuite obtenue par intégration du champ des normales.
L'exploitation de la séquence d'images de polarisation permet de calculer les composantes de l'onde polarisée OR qui sont le degré de polarisation p et l'angle de polarisation φ. On procède ensuite au calcul des normales qui va être exploité pour reconstruire la surface.
La normale en tous points de la surface SR est liée à l'angle de réflexion de l'onde θ et l'angle d'incidence φ (figure 1). Cette normale peut s'écrire selon la formule : n= (tanθcos^, tanθsinjz), 1) . Grâce à l'indice de réfraction complexe de l'objet étudié, une relation peut être établie entre le degré de polarisation p et l'angle θ. En outre, comme la composante linéairement polarisée de la lumière réfléchie est orthogonale au plan d'incidence PI, l'angle φ est lié à l'angle de polarisation φ par : φ = φ ± π/2. Une des difficultés majeures de cette technique est de lever l'ambiguïté concernant l'angle φ. Plusieurs systèmes basés sur cette méthode de reconstruction par polarisation avec l'exploitation des coefficients de FRESNEL ont été mis au point, notamment
pour l'analyse de surfaces réfléchissantes ou transparentes de nature diélectrique.
On connaît ainsi le système développé par RAHMANN, divulgué dans la publication S. Rahmann, Reconstruction of specular surfaces using polarization imaging, SPIE Proc. Conférence on Polarization and Color Techniques in Industrial Inspection, pp. 22-33, 1999. Le système divulgué nécessite plusieurs points de vue, au moins deux et de préférence trois, et pose le problème de correspondance des deux images ou plus afin de reconstruire la surface. En outre, seule l'information de l'angle de polarisation est utilisée pour reconstruire la surface de l'objet diélectrique et de fait, le problème d'ambiguïté subsiste lorsqu'on utilise seulement deux images. On connaît par ailleurs la méthode et le système développés par MIYAZAKI exposés dans la publication D. Miyazaki, M. Kagesawa, and K. Ikeuchi, Determining shapes of transparent objects from two polarization images, IEEE Trans. Pattern Anal. Machine Intell. 26(1), pp. 73-82,2004. Les images de surfaces transparentes sont reconstruites à partir d'une double prise d'image, avec une légère inclinaison de l'objet, et en utilisant les informations d' angle de polarisation et de degré de polarisation. Dans cette méthode, l'ambiguïté concernant l'angle φ est levée de manière algorithmique en partant de l'information au bord de l'objet, ce qui implique, d'une part, que le contour de l'objet soit numérisé, et d'autre part, que l'information du signe soit correctement propagée sur toute la surface. Le brevet américain US 5.028.138 divulgue une autre technique d'exploitation des données de polarisation. Le but de ce brevet est de déterminer certaines caractéristiques d'un objet comme sa forme (surface lisse ou rugueuse) et sa conductivité électrique à partir de l'onde lumineuse réfléchie à la surface de cet objet. Le but n'est pas de reconstruire la surface analysée en trois dimensions par imagerie mais de pouvoir essentiellement classer la surface de l'objet comme étant métallique ou
diélectrique. Le procédé exploite deux valeurs, le plan d' incidence et le ratio des coefficients de polarisation de FRESNEL. Ce procédé n'utilise pas le degré de polarisation de l'onde lumineuse mais se base sur l'angle d'incidence de l'onde (lié au plan d'incidence) et sur l'indice de réflexion complexe, qui dépend de la nature du matériau sur la surface duquel se réfléchit l'onde lumineuse analysée.
Dans cette technique, le problème de l'orientation de la normale et de la levée de l'ambiguïté concernant l'angle d'incidence n'est pas abordé car d'une part, le but n'est pas de reconstruire une surface et, d'autre part, le procédé est basé sur la détermination du plan d'incidence et de l'orientation dudit plan. La détermination de l'angle d'incidence se fonde sur l'hypothèse que le plan d' incidence contient la normale à la surface et que la normale en un point est donc contrainte par le degré de polarisation et l'angle de polarisation en ce point. La comparaison entre une valeur précalculée du ratio des coefficients de polarisation de Fresnel avec différents angles d' incidence pour des surfaces connues et le ratio calculé pour chaque pixel de la caméra qui effectue la mesure, permet de déduire l'angle d'incidence en se référant à ces valeurs théoriques précalculées. La valeur extrapolée ou mesurée du ration des coefficients de FRESNEL permet de classer la nature de la surface du matériau en diélectrique ou métallique.
La présente invention a donc pour objet de proposer une méthode et un système alternatifs de reconstruction par imagerie de polarisation qui ne présentent pas les contraintes des systèmes connus. En particulier, ils ne nécessitent pas de manipulation de l'objet dont la surface est à inspecter, et le temps nécessaire à l'acquisition et au traitement des données est court afin de permettre un contrôle sur une ligne de production. A cet égard, la présente invention a pour objet un système de reconstruction de surfaces par imagerie de polarisation comportant une caméra unique en position polaire, un polariseur tournant, un dôme d'éclairage et un
ordinateur remarquable en ce qu'il comporte un réseau d'appareils d'éclairage dont l'alimentation est pilotée, ledit réseau d'appareils d'éclairage étant destiné à illuminer le dôme d' éclairage selon quatre segments chevauchants couvrants chacun une demi-surface du dôme.
Un autre objet de l'invention est le procédé de reconstruction d'une surface par imagerie de polarisation remarquable en ce qu' il comporte une étape de construction d'une image I quad contenant l'information sur l'orientation des normales selon les quatre quadrants du dôme d'éclairage, à partir de quatre images provenant de l'éclairage de quatre segments du dôme couvrant chacun une demi-surface du dôme, de manière à ce que chaque quadrant soit couvert par deux desdits segments. Comme cela sera détaillé plus loin, à partir de l'angle de polarisation φ et de l'image I qUad ainsi construite, l'angle azimutal φ est déterminé avec un algorithme spécifique.
On comprend bien l'avantage de cette méthode qui ne nécessite aucune manipulation de l'objet ni de connaissance de la bordure de celui-ci. En outre, elle permet avantageusement de s'affranchir du calage d'alignement du dôme d'éclairage et du zéro de la caméra polarimétrique .
Enfin, l'invention a pour dernier objet l'utilisation du système et de la méthode exposée précédemment pour l'inspection de surfaces d'objets métalliques fortement réfléchissants obtenus par estampage et polissage.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée qui va suivre en lesquels :
- la figure 1 est une représentation de la réflexion d'une onde non-polarisée sur une surface réfléchissante et de ses paramètres ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective du système de reconstruction par imagerie de polarisation selon l'invention, avec une zone déchirée dans le dôme montrant l'intérieur de celui-ci ;
- les figures 3a à 3d sont des vues schématiques du dessus du dôme d'éclairage représentant les quatre segments d'un demi-espace permettant la construction d'une image
1quad • En référence à la figure 2, le système 1 de reconstruction par imagerie de polarisation selon l'invention est constitué d'une unique caméra numérique 2, d'un polariseur tournant 3, d'un dôme d'éclairage 4 et d'un ordinateur 5 pour l'acquisition et le traitement des données.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le système 1 comporte un réseau d' appareils d' éclairage 6 dont l'alimentation est pilotée, c'est-à-dire qu'elle permet l'allumage sélectif et contrôlé des appareils d'éclairage afin d'illuminer le dôme d'éclairage par segments prédéfinis. Selon l'invention, le schéma d' illumination est de quatre segments chevauchants d' une demi-surface, de sorte que chaque quadrant du dôme soit couvert par deux desdits segments. Le réseau d' appareils d' éclairage 6 pilotés est disposé à la périphérie de la base intérieure du dôme 4, par exemple en anneaux concentriques.
Selon une variante d'exécution préférée, les appareils d'éclairage sont des diodes électroluminescentes (LED) émettant une lumière blanche, dans le domaine du visible. Les LED ont l'avantage d'émettre la lumière de façon assez directionnelle, ce qui facilite le contrôle de l'illumination du dôme 4.
Il va bien entendu de soi que l'homme de l'art pourra mettre en œuvre tout type d'appareil d'éclairage sous le dôme en • fonction de la nature de la surface à analyser, sans sortir du cadre de la présente invention.
La caméra numérique 2 est une caméra avec capteur CCD. Elle est placée en position polaire au-dessus du dôme 4 et de l'objet à analyser. L'objectif de cette caméra est muni de préférence d'une lentille télécentrique afin d'avoir une reconstruction orthographique optimale de la surface analysée.
Le polariseur tournant 3 est de façon assez conventionnelle constitué d'un filtre polariseur et d'un composant à cristaux liquides.
Le dôme d'éclairage 4 hémisphérique comporte une ouverture 7 à son sommet permettant la prise d' images par la caméra. Ce dôme d'éclairage 4 sert à isoler l'objet dont la surface est à analyser des sources lumineuses environnant le système et à éviter ainsi des perturbations lumineuses non désirées. Le dôme 4 permet également d' assurer une diffusion homogène de la lumière provenant des appareils d'éclairage 6.
On utilisera avantageusement une caméra numérique permettant d'acquérir des images avec au moins 1024 niveaux de gris, le faible degré de polarisation dans le cas des surfaces métalliques nécessitant une certaine sensibilité de l'appareillage.
En fonction de la résolution souhaitée, on pourra adapter différentes optiques permettant d' atteindre le degré de précision requis en fonction de la nature des motifs à contrôler. Le système permet ainsi de numériser un objet avec un pas inférieur à lOμm.
On comprend bien que ce système ne comportant qu'une seule caméra en position polaire est nettement moins coûteux que des systèmes à plusieurs caméras et présente une simplicité d'utilisation facilitant son installation sur des lignes de production d'objets métalliques emboutis.
Bien entendu, le système comporte également un ensemble de logiciels installés sur l'ordinateur 5 pour le pilotage de l'éclairage du dôme, l'acquisition des images et le calcul. Cet ensemble de logiciel inclut des algorithmes basés sur le modèle de réflexion de FRESNEL ; l'intégration du champ des normales est réalisée à partir de modèles mathématiques utilisant les valeurs des angles θ et ψ déterminées. Ces modèles mathématiques sont dérivés des équations de FOURIER : la transformée de FOURIER permet d'intégrer la surface de l'objet à partir des valeurs de θ et φ.
Un autre objet de la présente invention est une méthode de reconstruction de la surface d'un objet par imagerie de polarisation.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ce procédé comporte une étape de construction d'une image Iqu ad contenant l'information sur l'orientation des normales selon les quatre quadrants du dôme d'éclairage, à partir de quatre images provenant de l'éclairage de quatre segments du dôme couvrant chacun une demi-surface du dôme, de manière à ce que chaque quadrant soit couvert par deux desdits segments. Les images sont donc prises en vue polaire.
En référence aux figures 3a à 3d, on expliquera maintenant le principe de construction de l'image Iq u a d - Pour illuminer une demi-surface du dôme, représentée sans hachures, on active l'alimentation des appareils d'éclairage situés dans la zone correspondante, à la base du dôme. La zone non éclairée, hachurée, n'est en réalité pas aussi franche que sa représentation schématique donnée sur les figures 3a à 3d.
On associe donc par soustraction les quatre images d' intensité par paires de segments complémentaires : les images d'intensité des segments représentés en 3a et 3c et celles des segments représentés en 3b et 3d sont respectivement associées. Enfin, on combine les deux images « haut-bas » et « gauche-droite » précédemment obtenues pour former l'image I qU ad-
L' image I quad ainsi obtenue possède uniquement quatre niveaux de gris. On comprend bien l'avantage de l'éclairage de segments d'une demi-surface couvrant les quadrants du dôme par chevauchement plutôt qu' un éclairage individuel des quadrants : cette technique nécessite une prise d' images deux fois moindre. Cette étape s'inscrit dans une succession d'étapes qui constituent le procédé de reconstruction. Ce procédé comporte essentiellement ainsi la succession des étapes suivantes :
- introduction de l'objet dont la surface doit être examinée sous le dôme d'illumination, dans l'axe de la caméra ;
- illumination complète du dôme ; - démarrage de la rotation du polariseur ;
- acquisition des images de polarisation pour les différentes valeurs de pas de rotation du polariseur, jusqu'à rotation complète ;
- calcul du degré de polarisation p et de l'angle de polarisation φ ;
- illuminations successives de quatre demi-surfaces du dôme couvrant chacune deux quadrants du dôme et acquisition des images d'intensité correspondantes ;
- construction de l'image segmentée I quad ; - calcul de l'angle azimutal φ ;
- calcul des normales ;
- calcul de la surface à partir des normales obtenues ;
- affichage de la surface calculée.
Bien entendu, dans le cadre du contrôle qualité de surfaces, la méthode de contrôle comportera en outre une étape de comparaison de l'image reconstruite avec le modèle théorique, ce qui permettra de déterminer si la surface inspectée correspond aux critères requis ou non.
L'Homme de l'Art trouvera dans la littérature citée les références aux équations de FRESNEL et aux algorithmes qui peuvent être utilisés pour la reconstruction d' images de surface à partir de normales calculées par le biais de relations mathématiques impliquées dans la technique de reconstruction d'une surface par imagerie de polarisation.
Le procédé selon l'invention nécessite une dizaine de secondes à partir du démarrage de la séquence d' acquisition des images de la surface jusqu'à la reconstruction numérique de cette surface.
On comprend bien que ce procédé est donc parfaitement applicable à un contrôle qualité directement monté sur une
chaîne de production et donc bien adapté aux contraintes industrielles .
La technique de reconstruction par image de polarisation basée sur le modèle de réflexion de FRESNEL comporte toutefois des limitations : les objets doivent être très réfléchissants. Toutefois, cette contrainte peut être restreinte à une longueur d'onde appropriée, pour laquelle la composante de lumière réfléchie est plus importante que la lumière réfractée à la surface de l'objet. Ainsi, on peut envisager d'appliquer la technique selon l'invention à des objets translucides, en verre ou en polyméthacrylate de méthyle par exemple, en utilisant des sources lumineuses UV.
De plus, avec une acquisition en lumière visible, pour que le modèle utilisé d'approximation entre le degré de polarisation approximé et le degré de polarisation réel en fonction de l'angle d'incidence reste valable, les valeurs de pente de la surface de l'objet doivent être inférieures à 80°. Bien entendu, l'Homme de l'Art est à même de déterminer de nouveaux modèles mathématiques exploitant les données du procédé selon l'invention et qui ont un degré de fiabilité plus élevé, permettant de repousser cette limite des pentes. Par ailleurs, des adaptations techniques du système selon l' invention doivent permettre de réduire les difficultés liées aux indices de réfraction des objets analysés et à la détermination de l'angle azimutal φ : ces adaptations consistent à utiliser un éclairage émettant sur plusieurs longueurs d'ondes spécifiques ou encore à utiliser des filtres, de sorte à avoir des images d'intensité pour différentes longueurs d'onde.
Enfin, il va de soi que si le dispositif a été spécifiquement développé pour l'inspection d'objets métalliques fortement réfléchissants obtenus par estampage et polissage, on comprend bien qu'en adaptant les paramètres de réfraction des ondes, le système et le procédé sont parfaitement utilisables pour d'autres
surfaces très réfléchissantes, telles que des surfaces diélectriques .