Extraction d`informations vélocimétriques sur des vidéos rapides de

Proposition de stage :
Extraction d’informations vélocimétriques sur des vidéos rapides de
nuages de poussières turbulents et de phénomènes explosifs
Employeur : INERIS, Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques.
Etablissement public à caractère industriel et commercial sous la tutelle du Ministère de
l'Ecologie et du Développement Durable. Site internet : www.ineris.fr
Responsable / contact :
Yann Grégoire
Unité Expérimentation Modélisation EXplosion
Pôle Phénomènes Dangereux et résistance des Structures
Direction des Risques Accidentels
INERIS, Parc ALATA, 60550 VERNEUIL-EN-HALATTE
E-mail : [email protected]
Durée : Stage conventionné d’une durée de 6 mois.
Profil recherché :
 Niveau Bac + 5 - Ecole d'ingénieurs ou universitaire, spécialité : traitement
d’images, multimédia.
 Pré-requis nécessaires : connaissances en programmation en Scilab/Matlab et
C/C++, algorithmes de traitement d’images, calcul de flot optique.
 Esprit de synthèse, développement d’outils pratiques
Mots clés : Traitement d’images, flot optique, vélocimétrie, imagerie rapide
Type du sujet : Développement d’outils numériques en vue d’une utilisation directe sur
plateforme expérimentale
Contexte du stage :
L’INERIS effectue des activités de recherche et d’expertise à la demande des Pouvoirs
Publics et des industriels dans les domaines de l’environnement et des risques industriels.
Implanté à Verneuil-en-Halatte (Oise – France). Au sein de l’unité EMEX (Essais
Modélisation EXplosions), nous disposons de spécialistes d’études expérimentales de
systèmes explosifs.
Les durées caractéristiques ainsi que les effets externes d’un phénomène explosif
accidentel comme provoqué, sont souvent extrêmes et difficilement mesurables. Les effets
d’une explosion sont dans la plupart des cas liés à la vitesse d’un écoulement, d’une
flamme, d’un fragment projeté ou d’une onde de choc. La mesure des champs de vitesses
dans ce type d’expérience présente donc un grand intérêt. Dans certains cas la libération
d’énergie lors d’une explosion est fortement influencée par l’environnement et n’est
homogène ni sur la durée de l’explosion, ni dans l’espace occupé par les réactifs et peut
être particulièrement vulnérante pour les structures voisines de l’explosion. Dans de telles
conditions, l’imagerie rapide est une méthode particulièrement intéressante pour l’étude
des phénomènes car elle permet d’obtenir un enregistrement local ou global des
explosions ou de leurs conséquences, de manière non intrusive, avec une cadence et sur
des durées caractéristiques correspondant dans une certaine mesure aux temps
caractéristiques des explosions. Dans ce contexte notre objectif sera donc la mesure des
champs de vitesses à partir des enregistrements vidéo.
L’évolution récente des moyens techniques d’enregistrement et des capacités d’analyse
numérique au cours des dernières années permet aujourd’hui de réaliser des travaux
autrefois impossibles. En particulier des algorithmes modernes, comme les méthodes de
vélocimétrie par calcul du flot optique sont maintenant utilisés dans certains domaines de
la mécanique des fluides pour extraire des champs de vitesse. Ce type de traitement
impose néanmoins de fortes contraintes sur la qualité des images acquises et reste pour
l’instant limité à des études en laboratoire où les conditions environnementales sont
maitrisées. Sur la plateforme expérimentale de l’INERIS, on s’intéresse à des vidéos
enregistrées en extérieur, bruitées, avec parfois un manque de luminosité, contraste ou
textures bien définies (typiquement la dispersion rapide d’un nuage de poussières) et dans
le cas d’une explosion, on observe quasi-systématiquement un fort rayonnement et une
intensité lumineuse variable sur la durée de l’explosion.
Objectifs du stage :
L’objectif du stage est la mise en place d’un algorithme qui permettra de calculer des
champs de vitesses durant un phénomène explosif, en vue d’une utilisation directe sur la
plateforme expérimentale de l’INERIS. Un code de calcul du flot optique est déjà
disponible à l’INERIS, il s’agit d’un premier prototype, basé sur un code externe et mis en
œuvre afin d’examiner l’intérêt éventuel de ce type de traitement pour nos applications.
Les calculs préliminaires effectués à l’INERIS sur certains exemples de vidéos rapides de
dispersion de nuages de poussières et d’inflammation de nuage de gaz montrent que dans
nombreuses situations, l’estimation des vitesses par le calcul du flot optique donne des
ordres de grandeurs satisfaisants des événements capturés. Toutefois il n’est pas
applicable à l’ensemble des situations expérimentales rencontrées à l’INERIS et nécessite
parfois d’être associé à des outils de prétraitement des images ou de post-traitement des
résultats. Il s’agira donc en premier lieu d’optimiser le traitement existant des images de
manière à avoir un code plus adapté aux besoins spécifiques des ingénieurs de l’INERIS et
un meilleur contrôle sur les mesures réalisées. Le stagiaire s’appuiera sur une base de
données de vidéos expérimentales, correspondant à différentes expériences types réalisées
à l’INERIS pour lesquelles la mesure du champ de vitesse présente un intérêt. Typiquement
il s’agira de mesurer des vitesses de flamme à travers des parois transparentes, la
propagation d’ondes de choc dans l’air, l’accélération explosive de fragments ou la
déformation d’éléments structurels étudiés à l’INERIS. La méthode de calcul (type
d’algorithme) sera sélectionnée et justifiée par le stagiaire. L’algorithme devra être
suffisamment robuste ou paramétrable pour traiter de larges quantités de données (vidéo
complètes typiquement en résolution 1024x1024 pour 2500 images) sur un PC standard
dans des durées aussi coutres que possible, de l’ordre de la journée au maximum. Au
besoin on considérera son implémentation dans un langage de programmation optimisé.
Dans un second temps on s’intéressera à un aspect particulier de certaines des expériences
réalisées sur le terrain expérimental de l’INERIS : la turbulence des nuages de poussière
confinés. Des nuages de poussières (particules de dimensions micrométriques) seront
injectés dans une enceinte à face transparente de 10 m3 environ. Il s’agira d’extraire les
grandeurs caractéristiques de la turbulence à partir de l’enregistrement par
cinématographie rapide. En pratique il s’agira de mettre en œuvre des méthodes de posttraitement des champs de vitesses calculés afin de mesurer des diamètres et vitesses de
tourbillons dans le plan de la face transparente. Cette information présente en effet un
intérêt majeur pour l’étude des effets des explosions de poussières.
Dispersion d’un nuage d’amidon de maïs dans une enceinte de 10 m3 : image originale
et estimation du champ de vitesses
Le stagiaire aura pour mission de :
Se familiariser avec le contexte, la technologie utilisée sur le terrain expérimental de
l’INERIS pour l’enregistrement vidéo, les outils et modèles existants ;
 Réaliser une courte bibliographie des méthodes existantes pour le calcul de vitesse
à partir d’un enregistrement vidéo;
 Identifier les limites, points bloquants et axe d’améliorations des algorithmes
principaux utilisables pour l’estimation des champs de vitesse ;
 Identifier les limites de l’algorithme de calcul de vitesse actuellement utilisé à
l’INERIS;
 Proposer des solutions d’optimisation de la précision du résultat et les
implémenter.
 Utiliser le code ainsi rédigé sur différents cas témoins et préciser ses limites de
fonctionnement;
 Etudier les résultats d’essais et comparer aux résultats aux estimations préalables
des expérimentateurs de l’INERIS ;
 Proposer un post-traitement permettant d’extraire des informations spécifiques
telles que les échelles de la turbulence ou sa vitesse caractéristique
 Réaliser une synthèse décrivant la modélisation, le degré de validité qui lui est
associé et les développements à envisager.