Les outils d'inspection 3D - IUT A de Lille

DISTASO Thibault
Licence pro VI
Les outils d'inspection 3D
Rapport projet Bibliographique
année 2009-2010
LICENCE PRO VI - USTL Lille1
Bd Paul Langevin Villeneuve d'Ascq 59650
tél : 0359632191 mail: iut-univ-lille1.fr
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Sommaire
INTRODUCTION................................................................................................................................3
1.Les outils d'inspection.......................................................................................................................4
1.Pourquoi inspecter?.......................................................................................................................4
2.Les machines de mesures 3D........................................................................................................4
2.Éclairage structurée...........................................................................................................................6
1.Objectif.........................................................................................................................................6
2.Eclairage structuré dynamique......................................................................................................6
3.Images de polarisation..................................................................................................................7
4.Bilan..............................................................................................................................................7
3.Méthode de la section lumineuse......................................................................................................8
1.Objectif.........................................................................................................................................8
2.Description....................................................................................................................................8
3.Inconvénient................................................................................................................................10
4.Utilisation dans l'industrie...........................................................................................................11
1.PEUGEOT..............................................................................................................................11
2.HARLEY DAVIDSON..........................................................................................................11
3.BOMBARDIER.....................................................................................................................11
5.Système VIROwsi (Vitronic Weld seem Inspection)..................................................................12
4.Stéréophotométrie............................................................................................................................13
CONCLUSION..................................................................................................................................15
Source.................................................................................................................................................16
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INTRODUCTION
De nos jours, les industries sont amené à faire face à de plus en plus de concurrence (dites
parfois déloyale). Pour pouvoir survivre, les entreprises doivent donc produire plus, avec une
qualité irréprochable. Autrefois, on contrôlait la qualité d'un produit en fin de chaine de
construction, mais aujourd'hui dans un but d'amélioration continue de la qualité mais aussi dans un
but économique, le contrôle d'un produit se fait du début, à la fin de sa fabrication. La vision
industrielle répond parfaitement à cette attente des industriels. En effet, les différents systèmes de
vision industrielle sont plus rapide, plus fiable, et plus précis qu'un simple opérateur.
Chaque produits, chaque fabrication nécessite un système de vision industrielle conçu sur
mesure pour répondre à ses besoins. Il est alors parfois indispensable d'obtenir une modélisation en
3D de l'objet. Alors que la vision 2D est parfaitement maitrisé, la vision 3D est en plein
développement avec une recherche constante de nouvelles techniques d'inspection 3D.
Ce rapport abordera trois différentes techniques de la vision 3D.
La première qui est l'éclairage structurée, est réalisé par une projection de série de frange sur
l'objet. Cette méthode permet de révéler les défauts d’aspect sur les surfaces à faible courbure.
La deuxième technique est la méthode de la section lumineuse qui est la plus utilisée. Cette
méthode consiste à traiter l'image d'un faisceau laser projeté sur l'objet afin de le modéliser en 3D.
Nous observerons deux exemples dans l'industrie, la première est celle de la marque « Kréon » puis
le système VIROwsi de la marque vitronic.
Et pour finir, la stéréophotométrie qui commence tout juste à être exploité et qui consiste à
traiter plusieurs images d'une même scène mais éclairé par différentes sources lumineuses et ainsi
d'en ressortir les reliefs de l'objet.
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1.Les outils d'inspection
1. Pourquoi inspecter?
Le contrôle automatisé de la qualité est un domaine qui connait depuis quelques temps une
grande effervescence. Ce besoin dans l’industrie est dicté par les réalités du marché. La forte
compétitivité des pays émergents et la demande croissante pour plus de qualité dans les produits,
poussent les entreprises à trouver de nouvelles solutions pour être plus productives et pour
augmenter la qualité de leurs produits. Le contrôle de qualité par la vision permet d’atteindre des
objectifs de performance supérieurs. Ainsi, on peut inspecter les produits à une cadence élevée et de
façon standardisée et constante. Ces dernières années, on assiste à un intérêt croissant pour
l’inspection et le contrôle de qualité des produits en trois dimensions. Avec l’augmentation des
performances des processeurs et la disponibilité de caméras 3D commerciales, le contrôle de qualité
par la vision 3D est maintenant possible.
2. Les machines de mesures 3D
Ou ce qu’on appelle MMT (Machines à Mesurer Tridimensionnelle), sont utilisées en
Métrologie dimensionnelle. Elles permettent d'obtenir les coordonnées des points mesurés (palpés)
sur une pièce mécanique. Ces coordonnées permettent de vérifier la validité dimensionnelle de la
pièce, de vérifier que les cotes sont respectées. De telles machines sont désormais présentes dans
toutes les industries mécaniques.
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Constitution
Une MMT est constituée:
• d'une table (partie de la machine sur laquelle la pièce à mesurer est immobilisée, appelée
parfois marbre mais qui n'est pas nécessairement géométriquement parfaite). Dans tous les
cas, l'usage recommande de ne pas utiliser cette surface comme surface de référence au
cours de la mesure;
• de trois liaisons glissières permettant de positionner la tête de mesure en tout point de
l'espace. Des règles graduées (optiques ou électriques) permettent de connaître la position de
chacune des glissières.
• d'une tête de mesure.
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2.Éclairage structurée
1. Objectif
Dans le domaine de la vision artificielle, l’inspection de surfaces parfaitement
réfléchissantes est une tâche particulièrement délicate, car elle implique de maîtriser complètement
l’éclairage de la scène. Il y a deux méthodes complémentaires permettant le contrôle qualité de
surfaces métalliques réfléchissantes. La première méthode est un système d’acquisition utilisant un
éclairage dynamique à franges. Elle permet de révéler les défauts d’aspect sur les surfaces à faible
courbure. La dexième est une méthode complémentaire qui est basée sur la technique de “Shape
From Polarization” étendue aux surfaces métalliques. Ces deux techniques sont particulièrement
bien adaptées pour le contrôle qualité d’objets métalliques très réfléchissants obtenus par
estampage.
2. Eclairage structuré dynamique
Les irrégularités de surface provoquent d’importantes déviations des rayons lumineux par
rapport aux zones saines. Ainsi, la direction de réflexion de la lumière est fortement différente entre
les zones saines et les zones de défauts. La méthode proposée s’inspire de la technique du Dark
Field / Bright Field. Elle consiste à utiliser une transition entre une zone lumineuse et une zone
sombre afin de mettre en évidence les défauts de la surface.
La mise en œuvre de la méthode proposée est réalisée par l’utilisation d’un éclairage
structuré dynamique composé d’une succession de franges lumineuses et sombres. Un balayage par
des translations successives de la structure d’éclairage assure ainsi une révélation par portion de la
totalité des défauts de surface. Pour chaque position de l’éclairage, une image est capturée par la
caméra. L’inspection de la surface conduit donc à la génération d’une séquence d’images.
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En assurant un recouvrement des signatures partielles des défauts présentes dans les images,
les zones défectueuses sont les seules portions de surface apparaissant toujours sous forme de
pixels à luminance élevée. Les zones saines apparaissent soit avec une luminance élevée lorsqu’une
zone lumineuse est projetée par l’éclairage, soit avec une luminance faible lorsqu’une zone sombre
est projetée. En calculant l’image correspondant à la moyenne des images de la séquence, on obtient
une image synthétique où les défauts apparaissent sous forme de taches à luminance élevée alors
que les zones saines apparaissent avec une luminance moyenne. Cette image synthétique est
nommée "image d’aspect".
3. Images de polarisation
Les images de polarisation permettent d’étudier l’état de polarisation d’une onde lumineuse.
Cette technique est employée en vision industrielle, pour effectuer de la segmentation entre
matériaux diélectriques et métalliques, ainsi que pour détecter des surfaces transparentes. Elle
permet également de reconstruire la forme 3D d’objets simples grâce à l’étude de la réflexion d’une
lumière non-polarisée sur une surface. Nous rappelons brièvement dans cette partie, le système
d’acquisition des images de polarisation, ainsi que le principe du “Shape from Polarization”
appliqué aux surfaces diélectriques.
4. Bilan
Nous avons présenté dans ce papier, les techniques complémentaires permettant d’effectuer
l’inspection de surfaces métalliques très réfléchissantes. Le premier système est un éclairage
dynamique à franges, permettant d’isoler de manière efficace les défauts d’aspect sur des surfaces
lisses. Le second système, basé sur les images de polarisation, fournit une information 3D
nécessaire pour distinguer les défauts dans des zones où la courbure est plus importante.
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3.Méthode de la section lumineuse
1. Objectif
De nos jours, le contrôle et la gestion de la qualité à un rôle majeur dans les processus de
production. L'objectif de la méthode de la section lumineuse et d'appliquer un laser à la surface de
l'objet à inspecter, et à l'aide d'une camera 2D, d'acquérir une image. Puis après un traitement de
l'image, il nous est possible de détecter des imperfections sur la forme de l'objet mais aussi de
mesurer des profils, des différences de hauteur, de géométrie...
2. Description
La méthode de la section lumineuse est réalisée par triangulation laser. Le système de
triangulation laser est utilisé pour déterminer une distance en calculant la longueur de l'un des côtés
d'un triangle, et en mesurant deux angles de ce triangle. La triangulation laser est une technique qui
reprend ce principe en calculant la distance entre un objet donné, une source laser et une ou
plusieurs caméras vidéo.
Il s'agit donc de projeter soit un point, soit un plan (ligne), soit une structure laser de faible
puissance sur la surface de l'objet. L'élément projeté est visualisé par une ou deux caméras et le
système d'acquisition calcule ensuite les coordonnées du ou des points par triangulation.
Méthode de la triangulation laser
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Sur le schéma, le laser projette une ligne sur l'objet. L'objet n'étant pas de surface plane, et la
camera se trouvant à un angle minimum de 30°, la camera 2D visualise une forme différente. Dans
le cadre de l'inspection 3D. L'image sera ensuite analysée.
Organigramme de la triangulation laser
Exemple simple d'application:
L'objectif d'une industrie est de vendre des plaques de carrelage à surface plane ayant
aucune imperfection sur la forme. On projette donc une ligne laser sur le carrelage, la camera 2D
capture les images. Si il y a une déviation du laser sur les images, alors il y a une déformation de la
surface plane. En contrôlant les images avec un outil de contour évolutif, les déviations du laser que
les images peuvent contenir sont détectées par le dépassement d'un seuil mini et d'un seuil maxi.
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3. Inconvénient
Un des problèmes le plus couramment rencontré est celui de l’occlusion. Il est de fait
inhérent à tout système d’acquisition 3D et peut se résoudre en réduisant les angles entre la caméra
et le laser ou en augmentant le nombre de vues. La réduction de l’angle doit se faire en faisant
attention de ne pas nuire à la précision.
L'occlusion
Le second problème le plus couramment rencontré est celui de la texture, qui diffuse ou
absorbe le rayon rencontré de manière plus ou moins aléatoire sur son épaisseur. Il n’y a pas de
solution générale au problème de la texture.
Structure diffusante
Le troisième problème est moins systématique : C'est le dédoublement du faisceau à la
rencontre d’un bord, qui peut être amélioré en réduisant l’épaisseur de la ligne projetée ou, plus
difficilement en détectant les bords depuis une image directe de la scène, celui de l’étalement du
faisceau lorsqu’il frappe la surface tangentiellement, qui peut être aussi amélioré en augmentant le
nombre de vues, celui de l’étalement du faisceau lorsque la vitesse de déplacement de l’objet
observé est grande ainsi que le temps d’intégration de la caméra, qui peut être amélioré en réduisant
ce dernier.
Dédoublement du faisceau laser
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Enfin un problème plus rare, celui des réflexions ou des déviations lorsque l’objet étudié
possède des parties réfléchissantes ou transparentes. Des techniques d’éclairage spécifiques à ce
genre de problème existent.
Déviations sur une surface réfléchissante
Les objets étudiés ici sont en mouvement, il est donc possible de combler certaines lacunes
de détection en poursuivant le profil dans la séquence étudiée, ce qui revient à multiplier les vues, et
en faisant intervenir des contraintes de cohérence géométrique et de déplacement.
4. Utilisation dans l'industrie
Utilisation dans l'industrie avec le système de triangulation de la marque 'Kréon' par
exemple:
1. PEUGEOT
Le groupe PSA Peugeot Citroen a choisi les scanners Kreon pour équiper 6 sites de
production en France.
L’utilisation des scanners Zephyr dans les applications de rétro-conception permet de récréer
facilement les modèles numériques des pièces physiques pour faire évoluer les formes tandis que
leur application lors du contrôle qualité permet de mesurer les déviations entre les pièces de
fonderie et leur modèle CAO théorique.
2. HARLEY DAVIDSON
Harley Davidson utilise les scanners Kreon pour contrôler la qualité des cadres en métal, des
tubes, des pièces moulées utilises dans la fabrication des légendaires motos de la marque. Certaines
pièces sont scannées pour être comparées aux fichiers CAO existants tandis que d’autres sont
numérisées pour recréer les modèles CAO à partir des nuages de points.
3. BOMBARDIER
Avec le scanner laser Kreon Zephyr associé à un logiciel de rétro-conception, les modèles
CAO 3D de la motoneige Elite de BOMBARDIER ont été créés en seulement 3 jours après la
digitalisation du véhicule. Le modèle complet (surfaces NURBS) a été créé en 5 jours, carrosserie,
intérieur, portes et tableau de bord compris.
Voir page des sources: http://www.kreon3d.com
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5. Système VIROwsi (Vitronic Weld seem Inspection)
Introduction
Depuis son arrivée en France en 2006, Vitronic gagne du terrain dans le domaine de la
vision industrielle. Avec déjà plus de 100 installations en service chez les grands constructeurs
allemands de l’automobile (BMW, MERCEDES, AUDI, …) ou de la mécatronique (ABB, Boysen,
Motoman, Alcan, Keiper, …), VITRONIC vise en France tous les utilisateurs de robots de soudage
automatique.
En effet, la solution Virowsi opère le contrôle en automatique des tâches de soudage par un système
de caméra laser à capteur fixe ou mobile. La soudure et son contrôle s’effectuent ainsi en une seule
manipulation.
Les étapes de Virowsi:
1ere étape:
Elle consiste à configurer le modèle 3D de l´objet sans cordon de soudure selon une
fréquence donnée (de 500Hz à 2000Hz), le scanner émet un faisceau laser linéaire qui se réfléchit
sur l´objet à inspecter.
Chaque génération d´une ligne laser donne lieu à l´acquisition d´un profil de la surface observée par
la caméra. Un profil contient généralement 1024 points. Le capteur ou l´objet sont déplacés pour
obtenir un relevé complet de la surface à inspecter. Le modèle 3D de l´objet mesuré est alors défini.
2eme étape:
Le Processus d´inspection de l´objet avec cordon de soudure:
Après l´opération de soudage, le processus (étape 1) est reproduit avec la présence du cordon de
soudure.
3em étape:
Comparaison de chaque modèle
Le modèle sans soudure“ est comparé au signal avec soudure. Le cordon de soudure obtenu est
alors inspecté selon les paramètres définis et des niveaux d´acceptations. Le résultat global pour la
pièce inspectée est envoyé (OK ou NO). L´ensemble des informations est disponible sur l´écran d
´interface opérateur.
Les trois méthodes d´inspection
1 ‐ Le capteur est fixe et la pièce mobile
2 ‐ Le capteur est mobile et la pièce fixe
3 ‐ Mode “Mixte” : Le capteur et la pièce sont mobiles
Les critères d´inspection
• Présence/absence du cordon de soudure
• Les pores
• Les caniveaux
• Volume du cordon
• Epaisseur du cordon
• Desalignement
• Longueur de cordon
• Hauteur de cordon
• Forme convexe excessive
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4.Stéréophotométrie
Principe:
La stéréophotométrie est une technique de vision industrielle assisté par ordinateur qui
utilise plusieurs images d'un même objet éclairées par différentes sources lumineuses.
Généralement, cette technique se décompose en deux étapes :
La première étape est de calculé la normale à la surface en chaque point visible de l'objet.
Ensuite, pour calculer le relief, on utilise les normales calculées en première étape et soit par le
calcul variationnel, soit par l'intégration directe, soit par un passage dans le domaine de Fourier, on
obtient les différents reliefs.
Plus généralement, grâce à une camera fixe et à différentes sources de lumières orientées sur
l'objet, il est possible d'obtenir une image très détaillé en analysant les effets d'ombre. La précision
de l'image dépendra du nombre de sources lumineuses.
En effet, l'image donnée par la stéréophotométrique possède environ douze niveaux de gris.
Il est conseillé d'utiliser une caméra pour 6 sources de lumières qui seront envoyées sous forme de
flash afin d'obtenir une acquisition rapide. Les séries de flashs ne sera pas perçu par l'œil humain
grâce à la rapidité de leur fréquence.
Par exemple, voici 3 photographies faites du même endroit par 3 éclairages orienté différemment.
Après avoir appliqué la stéréophotométrie, on obtient un résultat modélisé en relief
informatiquement.
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La stéréophotométrie n'est cependant pas encore utilisé mais ce principe va pouvoir être utilisé dans
de nombreux domaines tel que la biométrie, la reconnaissance d'un visage 3D ou l'inspection 3D
dans l'industrie. Il n'y a pas encore eu de réelle mise en œuvre connu aujourd'hui mais cette
techniques peut apporter des résultats très intéressant.
Cependant, il est envisagé d'utiliser cette technique par Londres pour les Jeux Olympiques de 2012.
Le système de vision ne sera donc pas appliqué à l'inspection d'un objet mais participera au système
de sécurité du royaume Uni pour pouvoir faire une représentation faciale 3D très précise de chaque
personnes.
Cette approche technique est en développement à Imperial College London (ICL) avec l'aide
d'Identity solution et de General Dynamics.
D'après le professeur Maria Petrou, responsable des recherches au département d'électronique et
d'informatique de l'Imperial College, cette technique est très prometteuse dans des domaines très
variés.
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CONCLUSION
Les outils d'inspection 3D sont des techniques de vision industrielle très utiles et très riches
pour les domaines d'utilisation dans lesquelles on peut l'utilisée. Les techniques utilisées tel que l'
« Éclairage structurée » ou « la méthode de la section lumineuse » sont déjà très présentes mais
possède des inconvénients. Cependant, de nouvelles techniques telle que la stéréphotmétrie sont en
projet et malgré que d'autres inconvénients se font connaître pour ces nouvelles techniques, elle
arrive a éviter les inconvénients d'anciennes techniques. Toutes les techniques ont leurs
inconvénients et leurs avantages. C'est là qu'un choix judicieux est à faire.
Les industries, dans un cadre d'amélioration continu de la qualité, se doivent de répondre à
des exigences plus importante et à une concurrence toujours plus élevé. C'est cette même raison qui
rend ce secteur important et en plein essor.
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Source
➢ Eclairage structuré et vision active pour le contrôle qualité de surfaces métalliques
réfléchissantes.
Olivier Morel, Ralph Seulin, Christophe Stolz, Patrick Gorria
Laboratoire Le2i - UMR CNRS 5158
➢ Utilisation d’une Caméra à Haute Vitesse d’Acquisition pour la Détection de Lignes lors d’une
Illumination non Contrôlée
Tadeusz Sliwa, David Fofi, Yvon Voisin, Alain Diou
Laboratoire Le2i
➢ 04-2009StimatGonio.pdf
➢ http://www.kreon3d.com
➢ magazine controles-essais-mesures (avril mai juin 2009)
➢ www.imasys.fr
➢ vitronic.fr
➢ keyence.fr
➢ www.ambafrance-uk.org/IMG/pdf/rdp-200701.pdf
➢ www.techno-science.net/?onglet=news&news=3776
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