La photogrammétrie anime la mesure 3D en atelier ActiCM

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T endances
MESURES TRIDIMENSIONNELLES
La photogrammétrie
anime
la mesure 3D
en atelier
ActiCM
▼
Plus discrète que les traditionnels bras de mesure ou lasers de poursuite, la photogrammétrie offre pourtant de précieux avantages dans les applications de
mesure 3D en production... Ces derniers temps, les annonces se sont multipliées.
Le nombre d’acteurs sur ce marché s’accroît, les appareils deviennent plus précis,
plus robustes, ils offrent la possibilité de réaliser des mesures dynamiques, et certains associent même la photogrammétrie avec des lasers de poursuite… Petit
tour d’horizon d’une méthode qui gagne à être (re)connue.
C’
est une méthode de mesure
optique, mais pas forcément
sans contact. Elle permet de
réaliser des mesures tridimensionnelles, mais elle est basée sur des systèmes de mesure 2D. Et si son principe est
vieux comme le monde ou presque, il a fallu attendre les années 1980 pour qu’elle
trouve enfin sa place parmi les autres techniques de mesure utilisées en atelier... Bref,
la photogrammétrie est une méthode de
mesure atypique.
Son propre nom est sujet à controverses. A
l’origine, la méthode consistait en effet à
photographier l’objet à mesurer sous différents angles, et à analyser en temps différé
les photos obtenues pour en extraire une
information tridimensionnelle. Mais lorsque
les caméras CCD sont venues concurrencer
l’appareil photo, et les supports numériques
le traditionnel film argentique, plus personne n’a parlé le même langage : alors que certains utilisent le terme de “vidéogrammétrie” pour désigner une photogrammétrie
dans laquelle l’appareil photo a été remplacé par une caméra numérique, d’autres préfèrent parler de “photogrammétrie numérique”, tandis que d’autres encore réservent
le terme de photogrammétrie aux mesures
en temps différé et celui de vidéogrammétrie pour les mesures en temps réel… Mais
dans tous les cas, les limites demeurent
floues. « Certains appareils photo permettent de prendre
jusqu’à 25 images par seconde.A ce rythme-là, pour-
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quoi ne pas les considérer comme des caméras? », s’interroge Jean-François Quinet, directeur général de Krypton France.
A ce manque de clarté s’ajoute une histoire
assez mouvementée... Initialement utilisée
dans le domaine militaire (pour des applications de reconnaissance géographique au
sol, puis à partir de prises de vues aériennes),
la photogrammétrie a longtemps fait partie
de ces méthodes de mesure dites en
“2D 1/2”, pour lesEn bref
quelles la troisième
dimension (la profon- La photogrammétrie est
une méthode de mesure
deur) ne pouvait être
3D utilisée en atelier de
évaluée qu’avec une
production pour le contrôle de moyennes structures
incertitude de mesure
(de l’ordre de 20 m3)
relativement importante.
Elle offre une précision
A côté des systèmes de
comparable à celle des
mesures mécaniques
bras de mesure, mais avec
(machines à mesurer triune liberté de mouvement
dimensionnelles, bras de
largement supérieure
mesure, etc.), elle a donc Par rapport aux lasers de
poursuite, elle est moins
longtemps fait figure de
précise, mais aussi
parent pauvre.
meilleur marché et plus
Comme la vision indusrapide.
trielle à ses débuts, il lui a
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Tendances
Comment les joindre
ActiCM
Tél. : 04 76 91 37 60 - Fax : 04 76 35 00 07
http://www.acticm.fr
Krypton
Tél. : 03 44 03 49 39 - Fax : 03 44 03 49 59
http://www.krypton-intl.com
Leica Geosystems
Tél. : 01 30 09 17 49 - Fax : 01 30 09 17 01
http://www.leicageosystems.com/metrology
Metride
Tél. : 04 72 08 77 77 - Fax : 04 72 08 77 79
http://www.metride.fr
NTI (représentant de GSI)
Tél. : 02 38 59 30 51 - Fax : 02 38 59 30 97
GSI
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fallu attendre les progrès réalisés dans le
domaine de l’informatique et du traitement
d’images à partir des années 1970 pour
qu’elle soit enfin considérée à sa juste
valeur…
Désormais, la photogrammétrie suit l’évolution “naturelle” de toute méthode de
mesure optique destinée au contrôle en production. Le nombre d’acteurs sur ce marché
s’accroît, les appareils deviennent plus
robustes, plus légers, plus simples d’utilisation, et la méthode s’accompagne régulièrement de nouvelles variantes.
Ces derniers temps, les annonces se sont multipliées. A côté des “piliers” de la photogrammétrie (tels que Krypton ou Gom), de
nouvelles sociétés ont vu le jour. C’est le cas
par exemple de l’isérois ActiCM, créé par des
chercheurs du CEA en 2000. Celui-ci offre
aujourd’hui deux lignes de produits basés
sur la photogrammétrie : la gamme Actiris,
que ses créateurs qualifient de “bras de mesure optiques”, et la gamme Advent, qui permet
d’embarquer les caméras CCD sur des bras de
robots pour automatiser le contrôle. Autre
nouveauté, la création par l’ancien directeur
de Faro Europe Nicolas Tanala de la société NTI,
qui distribue les systèmes de mesure du
constructeur GSI (un autre pilier de la photogrammétrie). Parmi eux, le V-Stars, l’un
des rares systèmes dont la mesure est basée
sur le traitement des images obtenues par un
ou plusieurs appareils photo. Enfin, la
branche métrologie de Leica Geosystems vient
d’introduire une variante de la photogrammétrie : son système T-Probe, par exemple,
associe un laser de poursuite et une caméra
de photogrammétrie.
Entre les bras de mesure
et les lasers de poursuite
Il faut dire que la méthode ne manque pas
d’intérêt. Elle offre une précision comparable
(voire supérieure) à celle des bras de mesure 3D, mais avec une totale liberté de mouvement. Car même s’il est souvent nécessaire d’utiliser un palpeur à contact (comme
dans le cas d’un bras de mesure), celui-ci ne
sert qu’à “matérialiser” le point de mesure
devant les caméras. La plupart du temps, il
se suffit donc à lui-même et aucun câble ne
le relie au système de traitement.
Conséquences, une grande maniabilité et un
volume de mesure largement supérieur à
celui d’un bras de mesure. Le système Advent
d’ActiCM, par exemple, offre un volume de
mesure allant jusqu’à 25 m3. Par ailleurs, le
référentiel étant souvent lié à la pièce ellemême, il n’est pas nécessaire de la brider
pour effectuer les mesures.
Par rapport aux lasers de poursuite aussi, la
photogrammétrie a ses avantages. « Elle offre
notamment une vitesse d’acquisition supérieure et un gain
de temps non négligeable dans l’installation et la mise en
route du système », souligne Alain MartinRabaud, p.-d.g. de la société Métride et expert
spécialisé dans la mesure 3D pour l’industrie.
Grâce à ces avantages, la photogrammétrie
est utilisée pour contrôler des pièces de
moyennes et de grandes dimensions dans
les ateliers de production, notamment dans
le domaine de l’automobile, de l’aéronautique, ou dans les applications navales et
nucléaires. Elle est par exemple utilisée pour
contrôler des pièces en réception, détecter
les dérives d’une production, ou pour des
applications de rétroconception (ingénierie
inverse).
Mais derrière ces caractéristiques communes
se cachent des systèmes de mesures très différents les uns des autres, et disposant chacun
de leurs propres caractéristiques.
Pour les comprendre, il nous faut revenir au
principe de la photogrammétrie… Comme
la vision stéréoscopique, elle reconstitue le
relief d’une pièce à partir d’images prises
sous des angles différents, tout comme le
cerveau “fusionne” les images vues par les
yeux pour appréhender le volume qui nous
entoure. Ensuite, tout est basé sur le principe de la triangulation : c’est la position, sur
le capteur CCD, du faisceau lumineux réfléchi par les points mesurés qui permet de
déduire la position tridimensionnelle de ces
points.
Mais pour déterminer cette position, encore faut-il disposer d’un référentiel, et étalonner le système par rapport à des points
dont on connaît les coordonnées. Pour cela,
chacun ou presque a sa méthode.
Les systèmes de mesure de Krypton, par
exemple, utilisent des caméras CCD et un
palpeur doté de cibles actives (des Leds infrarouges). « Nos palpeurs sont constitués de neuf diodes
dont on connaît la position relative », indique M. Quinet. Lors de la mesure, l’opérateur procède
comme avec un bras de mesure : il “pointe” chaque élément à mesurer à l’aide du stylet situé au bout du palpeur.
Devant lui se situe une tête de mesure composée de trois caméras CCD linéaires. Cellesci détectent la position des cibles lumineuses
et en déduisent, par triangulation, la position et l’orientation spatiale de la sonde (dans
un référentiel situé au centre de la tête de
mesure). Comme la sonde est préalablement
étalonnée, le système en déduit alors la position de la bille du stylet… « Nous ne sommes pas
dans une mesure à trois, mais à six degrés de liberté,
puisque nous déterminons à la fois la position et l’orientation spatiale de la sonde, précise M. Quinet (Krypton). Pour cela,il nous faut trouver un nombre suffisant
de relations entre les différentes inconnues du système. En
utilisant des caméras matricielles (qui intègrent déjà le
plan formé par la matrice CCD),il est possible de calculer directement l’orientation spatiale de la sonde.Avec des
caméras linéaires, en revanche, nous sommes obligés de
trouver une astuce pour la relation manquante.C’est pour
cette raison que nous utilisons des cibles dont la position
relative est connue ».
La pièce est mesurée dans le repère des caméras, mais il est naturellement possible de
convertir les coordonnées obtenues dans le
référentiel de la pièce (il suffit pour cela de
la dégauchir auparavant). Des cibles actives
peuvent être aussi fixées sur la pièce ellemême. « Cela permet de conserver en permanence la
connaissance de la position de la pièce, indique
M. Quinet. Si quelqu’un déplace la pièce ou les caméras,la procédure de mesure en cours ne sera pas interrompue ».
Autre exemple, le système de mesure Actiris
conçu par ActiCM (voir notre numéro 760
page 7). Comme ceux de Krypton, il est constitué d’une tête de mesure et d’un palpeur à
contact. Mais la tête comprend ici deux
caméras CCD matricielles, et le palpeur, sans
fil, comporte trois cibles dites “passives” (de
petites pastilles de 5 mm de diamètre consti-
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Principales méthodes de mesures optiques
Méthodes de mesures
optiques
2D
1D
Mesures par triangulation
Mesures polaires
Caméra
matricielle
Scanner Laser
Tachéomètre
Projection
Photogrammétrie
Laser de poursuite
de lumière
Vidéogrammétrie
structurée
Codeur angulaire
Télémètre
Caméra linéaire
Interféromètre
tuées d’un matériau réfléchissant).
Le principe, en revanche, est toujours le
même : du moment que les caméras
“voient” en permanence les cibles, elles peuvent en calculer la position spatiale, et donc
en déduire celle des points touchés par le
stylet. « L’opérateur mesure alors la position en 3D de
n’importe quel point situé dans un volume de 3,5 m3,avec
une précision volumétrique de l’ordre du dixième de millimètre », indique Hervé Soukiassian, directeur produit chez ActiCM.
Comme dans les systèmes de mesure de Krypton, on peut aussi fixer des cibles de référence sur la pièce. Cette dernière peut alors être
déplacée de plusieurs dizaines de centimètres
sans que cela n’affecte la mesure.
La photogrammétrie…
et ses variantes
ActiCM
Pour les ressemblances, il faudra s’arrêter là.
Les autres systèmes de mesure du marché
3D
utilisent en effet des principes différents…
Dans la gamme Advent d’ActiCM, par
exemple, il n’y a plus de palpeur, et plus
aucun contact. Les points de mesure sont
matérialisés grâce à un projecteur de lumière blanche qui projette des cibles virtuelles à
la surface de la pièce. Celles-ci sont détectées
par plusieurs têtes de mesure (équipées chacune de deux caméras CCD) qui peuvent
être embarquées sur un bras de robot ou
fixées à demeure dans un tunnel de mesure.
La méthode offre un volume de mesure
allant jusqu’à 25 m3 et une précision de
l’ordre du dixième de millimètre. Elle est
notamment destinée au contrôle de caisses
dans les lignes de production automobile.
« Advent prend différentes images du véhicule,puis reconstitue les coordonnées en 3D des points mesurés par des
techniques d’ajustement de faisceau », précise M. Soukiassian (ActiCM).
L’intérêt? « gagner du temps dans l’acquisition des
mesures ». Mais
bien sûr, il faut
toujours dégauchir auparavant
la pièce avec des
points de référence (trois au
minimum),
dont on connaît
la position en
3D.
Autre exemple,
le V-Stars commercialisé par la
société NTI.
Contrairement
aux précédents,
ce système de
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mesure est basé sur un (ou plusieurs) appareils photos, et sur un projecteur de lumière. L’appareil projette un grand nombre de
cibles (jusqu’à 23000 en un flash), et prend
un maximum de clichés. Grâce aux techniques de corrélation d’images et à quelques
points de référence, la structure tridimensionnelle de la pièce peut alors être reconstituée…
Bien sûr, il ne s’agit pas d’un appareil photo
tout à fait ordinaire. Le système, qui pèse près
de 2 kg, a été spécialement conçu pour la
métrologie industrielle. « L’optique est spécifique,
indique Nicolas Tanala, responsable Europe
de NTI. Ses défauts sont connus et compensés en temps
réel. De plus, l’appareil offre une durée d’ouverture de
60 µs,ce qui permet de réaliser des mesures en se déplaçant,ou de fixer l’appareil sur un bras de robot ».
Quant au volume de mesure, « il n’y a pas de
limite théorique, du moment bien sûr que les différentes
cibles sont toujours visibles », estime M.Tanala. En
revanche, la précision se dégrade avec l’augmentation de la distance. « Avec un seul appareil
photo,nous obtenons une précision de 5 µm,auxquels il
faut ajouter 5 µm par mètre.Avec plusieurs appareils
photos, la précision est de 10 µm, plus 10 µm par
mètre ».
Un système similaire est actuellement
employé au CERN à Genève. « La photogrammétrie y est notamment utilisée pour contrôler des pièces
cylindriques de 10 mètres de diamètre lors de leur réception, précise M. Martin-Rabaud (Métride). En
prenant 300 photos de la pièce,les opérateurs obtiennent
en temps différé une mesure 3D avec une incertitude garantie de deux à trois dixièmes de millimètre ».
D’autres systèmes utilisent une méthode
hybride basée sur l’association de la photogrammétrie et de lasers de poursuite. C’est le
cas par exemple du T-Probe de Leica Geosys-
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tems. Comme les systèmes de mesures de Krypton ou d’ActiCM, il est basé sur un palpeur
(sans fil) doté d’un réflecteur et d’un réseau
de diodes dont la position relative est connue.
Mais « c’est le laser de poursuite qui fournit la position
du réflecteur, alors que la caméra de photogrammétrie
détermine l’orientation du réseau de diodes », explique
Mehand Idri responsable des ventes de Leica
Geosystems.A partir de ces données, le système
calcule alors la position en 3D de la pointe du
palpeur.
Cette solution permet de bénéficier des avantages de la photogrammétrie (la vitesse d’acquisition et la simplicité de mise en œuvre)
en lui ajoutant ceux du laser de poursuite (le
volume de mesure et la précision). « Grâce à
la distance de travail du laser de poursuite,ce système peut
permettre par exemple de contrôler une section d’avion »,
indique M. Martin-Rabaud (Métride). Les
mesures se font en temps réel, avec une fréquence de l’ordre de 100 Hz.
Ajouter de la dynamique
Ce dernier exemple le prouve, il n’y a pas de
concurrence entre les différentes méthodes
de mesure 3D, mais une réelle complémentarité. En matière de précision de mesure, le
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laser de poursuite reste la référence. Pour
donner un ordre d’idées, l’un des derniers
modèles introduit par Leica (le LTD 800) permet de mesurer des objets situés dans un
volume de mesure de 80 mètres de diamètre,
à la cadence de 3000 points par seconde,
avec une précision de l’ordre de 10 µm/m...
Il est d’ailleurs utilisé sur les lignes de production de l’A380 à Hambourg (pour le
contrôle des opérations d’assemblage des
tronçons de fuselage).
Mais le laser de poursuite reste aussi une
solution onéreuse, et il n’offre aucun moyen
de compenser l’influence d’éventuels chocs
ou les vibrations de l’atelier… Pour des
contrôles de pièces de plus petites dimensions et lorsque la précision de mesure n’est
pas un critère primordial, on lui préfère souvent le bras de mesure.
« En fait,le choix de la méthode de mesure est toujours
un compromis entre plusieurs critères : le volume de
mesure nécessaire, la précision et la vitesse de mesure
attendues, la robustesse du système et sa simplicité de
mise en œuvre,indique M. Soukiassian (ActiCM).
La photogrammétrie, par exemple, offre une précision
largement suffisante pour l’utilisation que l’on en fait,
et un gain de temps appréciable dans la mise en œuvre
du système et l’acquisition des mesures ».
Certains vont même plus loin en exploitant
les possibilités dynamiques de la méthode.
« En utilisant des caméras linéaires fonctionnant à haute fréquence,nous offrons à la photogrammétrie un champ
d’applications beaucoup plus vaste que de simples mesures
statiques en 3D », indique M. Quinet (Krypton).
Il est possible, par exemple, de contrôler l’ouverture et la fermeture de portières de voiture
sur lesquelles on aurait au préalable fixé des
Leds infrarouges, de mesurer la déformation
de pièces soumises à de fortes contraintes,
mais aussi et surtout de surveiller le mouvement relatif de certains éléments par rapport
à d’autres : « Si l’on fixe trois diodes sur un bras de
robot, et trois autres sur un autre, on peut suivre la trajectoire de l’un par rapport à l’autre,surveiller la manière dont ils travaillent ensemble, etc. », souligne
M. Quinet. Comme Krypton est le seul
constructeur à utiliser des caméras linéaires,
c’est aussi pour l’instant le seul à proposer
l’option dynamique. Naturellement, cette
option a un coût (il faut ajouter près de
40000 euros à un système statique coûtant
près 100000 euros), mais elle reste, pour
M. Quinet, « l’avenir de la photogrammétrie ».
Marie-Line Zani
MESURES 770 - DECEMBRE 2004 - www.mesures.com