EP3039377A1 - Methode et dispositif de determination de la position et de l'orientation d'une surface speculaire formant un dioptre - Google Patents

Methode et dispositif de determination de la position et de l'orientation d'une surface speculaire formant un dioptre

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EP3039377A1
EP3039377A1 EP14786972.1A EP14786972A EP3039377A1 EP 3039377 A1 EP3039377 A1 EP 3039377A1 EP 14786972 A EP14786972 A EP 14786972A EP 3039377 A1 EP3039377 A1 EP 3039377A1
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EP
European Patent Office
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diopter
determined
image
orientation
polarization
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14786972.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Colle
Marc Leconte
Florence DROUET
Olivier Aubreton
Olivier LALIGANT
Christophe Stolz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
UNIVERSITE DIJON BOURGOGNE
Tiama SA
Original Assignee
Universite Dijon Bourgogne
MSC&SGCC SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Universite Dijon Bourgogne, MSC&SGCC SAS filed Critical Universite Dijon Bourgogne
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G06V10/12—Details of acquisition arrangements; Constructional details thereof
    • G06V10/14—Optical characteristics of the device performing the acquisition or on the illumination arrangements
    • G06V10/145—Illumination specially adapted for pattern recognition, e.g. using gratings

Definitions

  • the present invention relates to the field of dimensional control of specular surfaces forming diopters presented by various objects such as, for example, glass packaging, glass or silicon substrates, polished metal parts, headlight reflectors, windows, vehicle windshields or ophthalmic lenses.
  • the invention relates more particularly to the three-dimensional measurement of transparent objects comprising several superimposed diopters such as, for example, the walls of glass containers or stacked layers of laminated glass,
  • An application of the present invention is to be able to reconstitute in three dimensions, the outer surface of an object but also the internal surface of an object and in particular a glass container thus making it possible to measure the thickness of the glass wall and to know the distribution of glass.
  • the article entitled "Shape from poiarization: a method for solving zenith angle ambiguity" (Christophe Stolz, Mathias Ferraton, Fabrice Mériaudeau, Optics Letters 37, 20 (2012) 4218 describes a method of three-dimensional reconstruction of surfaces using a light source Diffuse scattered and polarization information of the light reflected on the object One deduces from the polarization, the orientation of normals to the outer specular surface of an object The method therefore requires an integration step to go back to the three-dimensional surfaces. This method works well only with a high density of measurement points, on surfaces without known discontinuity and with initial values correct at the beginning of the integration.This method which requires complex calculations proves difficult to implement. In addition, this technique is not suitable for measuring several placed in transparent media.
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a method for reconstructing a specular surface that can be obtained with a small number of points or low density, avoiding the use of a high density of measurement points, or even of provide its position and orientation of the surface in the vicinity of only one of its points.
  • Another object of the invention is to provide a method for the reconstruction of superimposed specular surfaces for measuring the thickness of multilayer objects.
  • Another object of the invention is to propose a method for the reconstruction of specular surfaces of objects having strong curvatures or being poorly positioned in order to allow on-line inspections.
  • the object of the invention relates to a method for determining the position and orientation of at least one specular surface element forming a diopter of an object having one or more superimposed diopters.
  • the method consists in:
  • the method according to the invention may further consist of a combination of at least one and / or the following additional characteristics to:
  • the diopter to be determined by means of several light source points of known positions in space and identifiable in the image, so that by analyzing the reflections of each light source point, the position and the orientation of several surface elements distributed in several places of the diopter to be determined,
  • the three-dimensional shape of at least one surface portion of a diopter of the object - determining for a series of superimposed diopters, the position and orientation of at least one element of the surface of a diopter to be determined, having, previously and successively in the inverse order of crossing the reflected ray, by the same method, calculated by approximating the positions and orientations of the surface elements of the diopters successively traversed by the radii ,
  • determining the thickness distribution of the transparent material located between the surface portions of two consecutive diopters by determining the three-dimensional shape of a portion of the first diopter and the three-dimensional shape of a portion of the second diopter,
  • Another object of the invention is to propose a device for determining the position and the orientation of at least one specular surface element forming a diopter of an object comprising one or more superimposed diopters, the device comprising:
  • a diffuse and piuridirectional light source illuminating the diopter and comprising at least one source point of known position
  • An image forming device capable of supplying at least one image for determining the poiarimetric deformations of the light received, and positioned so as to receive the reflections of the source point on the diopter to be determined,
  • the treatment unit :
  • the light beam arriving on the image-forming device and, as a polarization parameter, at least its degree of polarization
  • the device according to the invention may additionally have in combination at least one and / or the following additional characteristics:
  • the light source has several light points of known positions, the dots being a set of disjoint point sources or a set of remarkable points of two-dimensional geometric patterns carried on a light-emitting surface,
  • the light source has at least one light line
  • the image acquisition device provides for each pixel at least two polarization components, by means of at least two sensitive surfaces simultaneously exposed, the first receiving rays filtered by a polarizer oriented in a first direction, the second receiving radii filtered by a polarizer oriented in a second direction,
  • the image acquisition device supplies for each pixel at least two polarization components, by means of a sensitive surface exposed at least twice, the first time receiving radii filtered by a polarizer oriented in a first direction; second time receiving radii filtered by the polarizer oriented in a second direction, the orientation of the axis of the polarizer can be modified for example mechanically by rotation or electrically by controlling a liquid crystal device,
  • the image acquisition device comprises a matrix sensitive surface on which is placed a matrix filter whose unitary filters are oriented in at least N different directions, N being greater or equal to 2, so as to measure polarization parameters of the light arriving on the sensor, by combining N neighboring pixeis.
  • FIG. 1 is a schematic diagram in the case where there is no known diopter interposed between the source and the diopter to be determined
  • FIG. 2 is a schematic diagram, in the case where a known diopter is interposed between the source and the diopter to be determined,
  • Figure 3 is a diagram of the measuring principle in the case where no known diopter is interposed between the source and the diopter to be determined.
  • FIG. 4 is a diagram of the measurement principle in the case where there is a known diopter interposed between the source and the diopter to be determined,
  • FIG. 5 is a diagram in which the source has several known position points for the determination of several surface elements distributed in several places of the diopter to be determined
  • Figure 6 is a set of remarkable points belonging to geometric patterns of a light source.
  • Figure 7 is a diagram illustrating the movement of the object with respect to the source and / or the camera which allows scanning to determine a plurality of surface elements on the diopter to be determined.
  • Figure 8 is a diagram illustrating the reconstruction of a surface portion of a diopter from a plurality of surface elements.
  • Figure 9 is a diagram illustrating the reconstruction of two superposed dioptres belonging to an object.
  • Figure 10 is an example of a ray tracing for computation in the case where no known diopter is interposed between the source and the diopter to be determined.
  • Figure 11 is an example of a radius plot for calculation in the case where a known diopter is interposed between the source and the diopter to be determined.
  • FIG. 12 is an example of a graph showing the evolution of the function giving the absolute value of the difference between the degree of polarization of the ray reflected on the diopter to be determined and the degree of polarization hypothesis, as a function of the distance,
  • the object of the invention relates to a method and a device for the dimensional control or the measurement of a surface element of an object A, by the observation of specular light reflections. Reflection is said to be speculative when the incident light ray gives rise to a light ray reflected in a single direction according to the Sneil-Descartes law for reflection.
  • specular surface any diopter such that the reflection and the refraction of the light used are considered as specular, that is to say such as the effects of the diffusion and the absorption do not are not to be taken into account.
  • the object A thus has one or more superimposed specular surfaces each forming a diopter.
  • a diopter is a surface or interface separating two different optical index media (real and / or imaginary).
  • For each diopter there can be defined a surface element corresponding to an elementary surface around a point, which is defined by the coordinates of the point and Sa normal to the surface at that point.
  • a surface portion or a diopter of an object corresponds to the taking into account of several surface elements.
  • the three-dimensional shape of a diopter corresponds to a portion of surface or entire surface defined by its parametric equations, or a description by finite elements, that is to say that we take into account the 3D coordinates of the points belonging to surface and / or the orientations of the surface elements which compose it, or their normals or the curvatures.
  • any calculation of a light ray will mean the determination of the equation of the geometrical line or of the line segment carrying the said light ray.
  • the device I according to
  • the invention enables the determination of the position and orientation of at least one speculative surface element forming a diopter of an object A having a single diopter.
  • the device I allows the determination of the position and the orientation of at least one specular surface element forming a diopter of an object A having two superimposed diopters.
  • a non-polarized diffuse and multi-directional light source B illuminating the diopter of object A to be determined or characterized, this light source comprising at least one source point 1 of known position in space,
  • An image forming device 2 capable of supplying at least one image J making it possible to determine polarimetric information of the light received, and positioned so as to receive the reflections of the source point 1 on the diopter to be determined, and allowing the determining position information of the specular points of reflection of the source point i on the diopter to be determined,
  • the diffuse light source B is a source emitting unpolarized light in a more or less large emission cone.
  • This light source B which can be produced in any suitable manner, is of a divergent, non-coincidental, point-like and non-polarized nature.
  • This light source B comprises a single source point 1 as illustrated in FIG. 1 or several source points 1 as illustrated in FIG. 5.
  • the position of the different source points 1 is known in space.
  • these different source points are made by a set of discrete point sources such as light-emitting diodes or by a set of remarkable points (Fig. 6) of two-dimensional geometric patterns carried by a light-emitting surface.
  • Se point source 1 is remarkable insofar as, if we analyze by computer means a direct or indirect image of the source, it becomes easy to find the point and determine its position x, y in the image.
  • the light source B has at least one luminous line.
  • the image forming device 2 comprises a camera capable of supplying at least one image making it possible to determine the polygraphic information of the light received.
  • polygraphic information is meant at least the degree of polarization of the light beam,
  • components of the polarization vector is meant the intensities of the polarization vector projections resulting from the effect of a polarizer oriented in different directions, preferably chosen so as to optimize the calculation accuracy of the polarization parameters, li is to be noted that the determination of the state of polarization by means of only two components, preferably orthogonal, is incomplete except to make a hypothesis such as for example that the orientation of the surface to be determined is known in a direction or dimension of the space . It is therefore advantageous to take into account, for the determination of poiarimetric information, at least three components of the polarization vector of the light received.
  • the image acquisition device 2 provides for each pixel at least two polarization components, at the means of at least two sensitive surfaces simultaneously exposed, the first receiving rays filtered by a polarizer oriented in a first direction, the second receiving rays filtered by a polarizer oriented seion a second direction.
  • the image acquisition device 2 provides for each pixel, at least two polarization components, using a sensitive surface exposed at least twice, the first time receiving filtered rays by a polarizer oriented in a first direction, the second time receiving rays filtered by the polarizer oriented in a second direction, the orientation of the axis of the polarizer can be modified for example mechanically by rotation or electrically by controlling a crystal device liquids.
  • the image acquisition device 2 comprises a matrix sensitive surface on which is placed a matrix filter whose unit filters are oriented at least at N different directions, N being greater than or equal to 2, of way to measure polarization parameters of the light arriving on the sensor, by combining N neighboring pixels.
  • the characteristics of the image acquisition device 2 are known, such as in particular the set of intrinsic and extrinsic parameters of a camera that the skilled person knows how to define and obtain by prior calibration, and then use in the geometric calculations in space, for example the Zhang model described in the publication (Z. Zhang A flexible new technique for camera calibration.) IEEE Transactions on Pattem Analysis and Machine Intelligence, 22 (11): 1330-1334, 2000.
  • the characteristics of the image acquisition device 2 therefore comprise, for example:
  • the configuration of the device I that is to say the position of the source point 1 and the characteristics of the image acquisition device 2, whose position are adapted according to the object A so that the device acquisition can observe the specuiary reflections of the incident light rays emitted by the light source B and occurring on the diopter (s) of the object A.
  • the reflections on each diopter must be distinct in the image I and the angles of incidence on the diopters, the incident light beam emitted by the light source B must correspond to an easily measurable degree of polarization, typically between 20 ° and 55 ° for glass.
  • the principle of the invention makes it possible to determine or characterize a diopter either if no diopter is interposed between the light source B and this diopter to be determined, or if one or more known dioptres are interposed between the light source B and this diopter to be determined, this or these dioptres being known by the method according to the invention or by a different method.
  • known diopter means the knowledge of the optical indices on both sides of the diopter and the geometry and position of an element of its surface, a portion of its surface or its complete three-dimensional shape.
  • Figs. 1 and 3 illustrate the principle of the subject of the invention for which no diopter is interposed between the light source B and the diopter to be determined or characterized 6.
  • the incident ray from the source point 1 is reflected on an element of specular surface 4 of the diopter to be determined 6, at a point of incidence 12, to give rise to a reflected ray 8 on the diopter to be determined 6.
  • the angle formed between the incident ray and the normal 5 of the element of surface 4 is equal to the angle formed between the reflected ray 8 and the norman 5 of the surface element 4
  • image 3 acquired by the image acquisition device 2 comprises a light point, that is to say its reflection 13 of the source point 1 by the diopter to be determined 6.
  • This reflection 13 in the image corresponds directly to the point of incidence 12 seen by the image acquisition device 2.
  • This reflection 13 in the image is obtained by the ray 3 arriving on the acquisition device. 2 and has a degree of polarization p.
  • the Fîg. 2 and 4 illustrate the principle of the object of 1'nvention for which a known diopter 9 is interposed between the light source B and the diopter to be determined or characterized 6.
  • the image J acquired by the device d acquisition of images 2 comprises several light points corresponding to the light reflections on the known diopter 9 and the diopter to be determined 6.
  • the image 3 comprises a reflection 15 on the known diopter 9 and the reflection 13 on the diopter to be determined 6.
  • Image J acquired by the acquisition device of FIG. 2 comprises the luminous point, that is to say the reflection of the source point 1 by the known diopter 9. This reflection in the image corresponds directly to the point of incidence 14 seen by the acquisition device of images 2.
  • Another incident ray from the source point 1 is deflected by the known diopter 9 at a point of incidence 19, to be transmitted on the specular surface element 4 of the diopter to be determined 6, at a point of incidence 12, to give birth to a reflected ray 8 on the dioptre to be determined 6 and having a degree of polarization pr.
  • the angle formed between the transmitted incident ray and the normal 5 of the surface element 4 is equal to the angle formed between the reflected ray 8 and the normal 5 of the surface element 4.
  • the reflected ray 8 is subjected to deviation at the level of the diopter 9, at a transmission point 16, the image 3 acquired by the image acquisition device 2 also includes the light point, that is to say the reflection 13 of the source point i by the diopter to be determined. reflection 13 in the image corresponds directly to the transmission point 16 of the known diopter 9 and seen by the image acquisition device 2.
  • the Fîg. 3 illustrates the principle of the invention in the case where no diopter is interposed between its light source B and the diopter to be determined or characterized 6.
  • the image processing unit locates in the image, any reflection 13 of the
  • the image processing unit calculates the light beam 3 arriving on the image-forming device 2 and, as a polarization parameter, at least its degree of polarization p.
  • the point of incidence 12 on the dioptre to be determined 6 is situated along this light beam 3 arriving on the image-forming device 2. Indeed, even if the position of the source point i producing the incident ray associated is known, the orientation of the incident ray is not known so that there is an infinity of possible positions for the point of incidence 12 given the ambiguity of the normal torque / position. On the other hand, there is only one position d for a given orientation of ia normal 5, or only one orientation of normal fa for a given position along the radius. In the remainder of the description, the point of incidence 12 on the diopter to be determined 6 is considered to be situated at a distance d along the reflected ray 8 on the diopter to be determined 6.
  • the reflected light beam 8 on the diopter to be determined 6 corresponds to the light beam 3 arriving on the imaging device 2. Also, from the reflected ray 8 to Namely, the ray 3 arriving on the image-forming device 2, its degree of polarization p and the known position of the source point 1, the processing unit derives therefrom the position d and the orientation 5 of the surface element 4 at the point of incidence 12 on the diopter to be determined 6. The three-dimensional position of the point of incidence 12 is thus determined, FIG. 10 illustrates an example of a method for determining its distance d.
  • FIG. 12 is an example of a graph showing the evolution of the function giving the absolute value of its difference between the degree of polarization pr of the reflected ray 8 on the diopter to be determined 6 and the degree of polarization hypothesis ph, as a function of the distance d.
  • This function admits a minimum located at the distance d which corresponds to the real distance of the surface element belonging to the diopter to be determined 6.
  • d 1 4 surface elements corresponding to four distances d: d 1 have been positioned . d2, d3 and d4, associated with four degrees of polarization hypothesis phi Ph2 Ph3 Ptv *.
  • d d2
  • this distance d 2 corresponds to the actual position of the surface element 4, ie the point of incidence 12.
  • the light source B has a single source point 1.
  • it may be provided to illuminate the diopter to be determined 6, using a light source B having a plurality of source points 1 whose positions are known in space and identifiable in the image.
  • the reflections 13 of each source point 1 are analyzed as described previously, and the position and orientation of a plurality of surface elements 4 distributed in several places of the diopter to be determined 6 are determined according to the method according to the invention,
  • the light line (s) is (are) considered as one or more sets of source points. remarkable 1 and the light lines obtained on the camera 2 are analyzed by also considering them as sets of image points 15 or 13, whereas in reality the line and its images being at least locally continuous, its method only works correctly for certain types of surface, for example, whose curvature is small in the direction parallel to the light line,
  • the Fîg. 7 illustrates another embodiment for determining a plurality of surface elements 4 of the diopter to be determined 6 in which the object A is relatively displaced with respect to your light source B and / or to the image forming device 2. During the displacement of the object A, several successive images are acquired, allowing by this scanning, to determine the position and the orientation of several surface elements 4 distributed in several places of the diopter to be determined 6.
  • the surface elements 4 are chosen to reconstruct the three-dimensional shape of at least a portion or even the whole of the diopter to be determined 6, as illustrated in FIG. 8.
  • Fig. 4 illustrates the principle of the invention in the case where a known diopter 9 is interposed between the light source B and the diopter to be determined or characterized 6.
  • the image processing unit locates in the image 3, any reflection 13
  • the image processing unit calculates the light beam 3 arriving at the image forming device 2 as well as, as a polarization parameter, at least its degree of polarization ⁇ .
  • the processing unit calculates the reflected light beam 8 on the diopter to be determined 6 at the point of incidence 12, from the light beam 3 arriving at the image forming device 2 and calculating its deviations and, for example, with the formalism of Stokes-Mueller, the polarization modifications pr induced by the crossing of the known diopter 9 located between the diopter to be determined 6 and the image forming device 2.
  • the object of the invention is then to deduce from the light beam 8 reflected on the diopter to be determined 6, its polarization parameter pr, the known position of the source point 1, and the known diopter 9 interposed between the source point 1 and the diopter to be determined 6, the position d and the orientation 5 of the surface element 4 at the point of incidence 12 on the diopter to be determined 6.
  • Fig. 11 illustrates an example of a method for determining the distance d on the light beam 8.
  • dh i calculates the incident ray from its light source 1, taking into account its deviation by the known diopter 9, then at point of incidence, the orientation of the normal of the diopter surface element to be determined 6 corresponding to this hypothesis, then, using for example the Stokes-Mueiter formalism, the degree of polarization hypothesis phi of the reflected ray according to This assumption, the holding distance is that for which the degree of polarization hypothesis phi is equal to the degree of polarization calculated pr.
  • this method makes it possible to determine the actual position of the surface element 4 at the point of incidence 12.
  • the principle of the invention can be implemented to characterize an object comprise two superposed dioptres not known a priori.
  • the method consists in characterizing first the outer diopter that is to say the diopter which is crossed first by the incident ray and then the inner diopter considering that the outer diopter is known.
  • the surface element 12 belonging to the diopter internal 6 first determines the surface element 18 of the first diopter traversed by the rays taking into account reflection on this first diopter. It is then approximated that this diopter is locally plane and is considered to be known for determining the surface element 12 belonging to the second diopter 6.
  • the method aims at detecting the position of the first reflection 15 in the image 3, which makes it possible to calculate the light ray 8i arriving on the image acquisition device 2 and coming from the image element. surface 18 of the first diopter, at the point of incidence 14. This point of incidence 14 is located somewhere along this light ray 3.
  • the position of the light spot corresponding to its second reflection in the image is detected and the light beam 3 arriving on the image acquisition device 2 is calculated. It is assumed that the outer surface is locally flat. This assumption is verified when the distance between all points 19, 14, 16 (at Namely, the points of incidence 19, 14 and the point of transmission 16) are small and the local radius of curvature of this surface is large. This hypothesis makes it possible to consider a portion of the local external surface 17 as the extension around the point. of incidence 14 of the surface element 18 and then caicuîer the intersection of the ray 3 arriving on the imaging device with this local surface namely the transmission point 16, the ray reflected by the surface element 4 of the inner diopter.
  • the surface 17 is considered to be locally flat, it is considered that the normal is the same at the point of incidence 14 and at the transmission point 16. Knowing the refractive index, it is thus possible to understand the reflected ray 8 by the 6. Again, the point of incidence 12 on the inner diopter 6 is located somewhere along this light beam. As already explained, there is an ambiguity between the normal and the position at the point of incidence 12.
  • the degree of polarization associated with this second reflection is measured.
  • the degree of polarization measured for the ray entering the image acquisition device 2 corresponds to the successive passage of three interfaces. Each interface or diopter passage influences the final degree of polarization by relying on transmissions to be much less influential than reflection. It therefore seems impossible to directly measure the orientation of the internal surface because we do not know the influence of the first transmission.
  • the method consists in determining the position and the orientation of at least one surface element of a diopter to be determined, having previously and successively in the reverse order crossing of the reflected ray, by ia same method, calculated by approximation the positions and orientations of the surface elements of the diopters successively traversed by your rays.
  • the method consists in determining the position and orientation of at least one surface element of a device to be determined, having previously and successively in the order inverse of traversal of the reflected ray, reconstructs the three-dimensional shape of the surface portions of the diopters successively traversed by the rays, which allows instead of using the hypothesis of locally flat surface, to take into account said three-dimensional shape of the surface 9 around the points 19, 14, 16 (namely the points of incidence 19, 14 and the transmission point 16) leading to a better accuracy especially when the curvature is not negligible.
  • the object of the invention is thus to reconstruct the three-dimensional path traveled by the light rays from the light source with the aid of the measurement of the degree of polarization to remove indeterminations.
  • This technique makes it possible to dispense with the measurement of the angle of polarization of His light.
  • This technique requires knowing the refractive index of the material constituting the object, both to calculate the refracted rays and to have a model connecting the degree of polarization and the orientation of the surface element of the diopter.
  • the method according to the invention which makes it possible to determine the position and the orientation of two surface elements of two successive diopters makes it possible to determine the thickness of the transparent material separating the two surface elements of the two diopters.
  • the method according to the invention makes it possible to determine the thickness distribution of the transparent material situated between the surface portions of two consecutive diopters by determining the three-dimensional shape of a portion of the first diopter and the three-dimensional shape of a portion of the second diopter.

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Abstract

L'invention concerne une méthode de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un dioptre consistant à : • éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide d'au moins un point source lumineux diffus non polarisé (1), • acquérir à travers un dispositif de formation d'image (2) une image (J) permettant la détermination d'informations polarimétriques de la ou les réflexions du point de source sur le dioptre à déterminer, • localiser dans l'image (J), toute réflexion (13, 15) du point source (1) lumineux par le dioptre à déterminer (6), et pour chaque réflexion localisée : - calculer le rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2) ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation, - calculer le rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer (6) et déduire du rayon lumineux (8) réfléchi sur le dioptre à déterminer (6), de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source (1), la position et l'orientation (5) de l'élément de surface (4).

Description

METHODE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DE LA POSITION ET DE L'ORIENTATION D'UNE SURFACE SPECULAIRE
FORMANT UN DIOPTRE
La présente invention concerne le domaine du contrôle dimensionnel de surfaces spéculaires formant des dioptres présentés par divers objets tels que, par exemple, des emballages en verre, des substrats en verre ou silicium, des pièces métalliques polies, des réflecteurs de phares, des vitres, des pare-brises de véhicules ou des verres ophtalmiques.
L'invention concerne plus particulièrement la mesure tridimensionnelle d'objets transparents comportant plusieurs dioptres superposés tels que, par exemple, les parois de récipients en verre ou des couches empilées de verre feuilleté,
Une application de fa présente invention est de pouvoir reconstituer en trois dimensions, la surface extérieure d'un objet mais également la surface interne d'un objet et en particulier un récipient en verre permettant ainsi de mesurer l'épaisseur de la paroi en verre et de connaître ia répartition de verre.
Il est connu dans l'état de la technique, diverses méthodes pour reconstruire en trois dimensions une surface spéculaîre d'un objet, comme le montre des états de l'art tels que « Transparent and Specufar Object Reconstruction » publié dans Computer Graphics Forum 2010 par Ivo ïhrke, Kîriakos N. Kutuiakos, Hendrik P. A. Lensch, Marcus Magnor, and Wolfgang Heidrich.
Par exemple l'article ayant pour titre « Shape from Distorsion : Range Scanning of Mirroring Objects » publié dans SIGGRAPH 2002 : conférence abstracts and applications (2002) by M. Tarini, H. P. A. Lensch, M. Goesele, H. P. Seidel edîted by D, Roble décrit une méthode de reconstruction tridimensionnelle de surfaces spéculaires dont le principe est d'observer la réfiexion d'un motif iumineux connu. Moyennant des hypothèses de continuité de ia surface, cette technique procède par intégration pour remonter à la forme de l'objet, Cette méthode est complexe en termes de calculs, et elle ne fonctionne correctement qu'avec une grande densité de points de mesures, sur des surfaces sans discontinuité notoire et en disposant de valeurs initiales correctes au départ de l'intégration. Cette méthode qui nécessite des calculs complexes s'avère difficile à mettre en œuvre dans un milieu industriel. De plus cette technique n'est pas adaptée pour mesurer plusieurs surfaces superposées dans des milieux transparents.
L'article ayant pour titre « Shape from poiarization: a method for solving zénithal angle ambiguity » (Christophe Stolz, Mathias Ferraton, Fabrice Mériaudeau, Optics Letters 37, 20 (2012) 4218 décrit une méthode de reconstruction tridimensionnelle de surfaces utilisant une source lumineuse diffuse étendue et une information de polarisation de la lumière réfléchie sur l'objet On déduit de la polarisation, l'orientation des normales à Sa surface spéculaire externe d'un objet La méthode nécessite donc une étape d'intégration pour remonter aux surfaces tridimensionnelles. Cette méthode ne fonctionne correctement qu'avec une grande densité de points de mesures, sur des surfaces sans discontinuité notoire et en disposant de valeurs initiales correctes au départ de l'intégration. Cette méthode qui nécessite des calculs complexes s'avère difficile à mettre en œuvre dans un milieu industriel. De plus, cette technique n'est pas adaptée à mesurer plusieurs surfaces superposées dans des milieux transparents.
De manière analogue, les documents US 5 028 138 et US 2010/290713 et la publication Atkinson G A ET AL : « Recovery of surface orientation from diffuse poiarization » décrivent des méthodes de reconstruction d'objets à partir de paramètres de polarisation. Toutefois, les méthodes décrites dans ces documents présentent les mêmes inconvénients que la technique décrite par la publication « Shape from poiarization... »)
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des techniques antérieures en proposant une méthode pour reconstruire une surface spéculaire pouvant être obtenue avec un nombre de points restreint ou peu denses, évitant d'avoir recours à une grande densité de points de mesure, voire même de fournir Sa positon et l'orientation de la surface au voisinage d'un seul de ses points. Un autre objet de l'invention est de proposer une méthode permettant ta reconstruction de surfaces spéculai res superposées en vue de mesurer l'épaisseur d'objets multicouches.
Un autre objet de l'invention est de proposer une méthode permettant la reconstruction de surfaces spéculaires d'objets présentant des courbures fortes ou étant mal positionnés en vue de permettre des contrôles en ligne.
Pour atteindre de tels objectifs, l'objet de l'invention concerne une méthode de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculai re formant un dioptre d'un objet comportant un ou plusieurs dioptres superposés.
Selon l'invention, la méthode consiste à :
• éclairer le dioptre à déterminer à l'aide d'au moins un point source lumineux diffus non polarisé, ia position dudit point source étant connue dans l'espace,
· acquérir à travers un dispositif de formation d'image au moins une image permettant la détermination d'informations polarimétriques de la ou les réflexions du point de source sur le dioptre à déterminer,
• localiser dans l'image, toute réflexion du point source lumineux par le dioptre à déterminer, et pour chaque réflexion localisée :
- calculer le rayon lumineux arrivant sur Se dispositif de formation d'image ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation,
- calculer le rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, à partir du rayon lumineux arrivant sur le dispositif de formation d'image en caiculant ses déviations et les modifications de polarisation induites tors de la traversée de tout autre dioptre connu situé entre le dioptre à déterminer et le dispositif de formation d'image,
- déduire du rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source, et de tout dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer, la position et l'orientation de l'élément de surface au point d'incidence sur le dioptre à déterminer. De plus, ta méthode selon l'invention peut consister en outre en combinaison d'au moins l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes à :
- éclairer le dioptre à déterminer à l'aide de plusieurs points source lumineux de positions connues dans l'espace et identifiables dans l'image, de manière à ce qu'en analysant les réflexions de chaque point source lumineux, on détermine ia position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer,
- éclairer le dioptre à déterminer à i'aide d'une ou de plusieurs lignes lumineuses permettant de déterminer ia position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis le long de la(ies) réflexion(s) de la(ies) ligne(s) sur le dioptre à déterminer,
- déplacer l'objet relativement à ia source et/ou au dispositif de formation d'images, et à acquérir durant le déplacement, plusieurs images successives, permettant par ce balayage de déterminer ia position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer,
- reconstruire à partir de plusieurs éléments de surface, la forme tridimensionnelle d'au moins une portion de surface d'un dioptre de l'objet - déterminer pour une série de dioptres superposés, la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans i 'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, par ia même méthode, calculé par approximation !es positions et orientations des éléments de surfaces des dioptres successivement traversés par les rayons,
- déterminer pour une série de dioptres superposés, la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, reconstruit la forme tridimensionnelle des portions de surface des dioptres successivement traversés par les rayons,
- à partir de ia détermination de !a position et l'orientation de deux éléments de surface de deux dioptres successifs, à déterminer l'épaisseur du matériau transparent séparant les deux éléments de surface des deux dioptres,
- déterminer la répartition en épaisseur du matériau transparent situé entre les portions de surface de deux dloptres consécutifs en déterminant la forme tridimensionnelie d'une portion du premier dioptre et la forme tridimensionnelle d'une portion du deuxième dioptre,
- acquérir comme image permettant ia détermination d'informations poiarimétriques, une image contenant en tout point ia valeur d'intensité d'au moins deux composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue.
Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet comportant un ou plusieurs dioptres superposés, le dispositif comportant :
• une source lumineuse diffuse et piuridirectionnelie éclairant ie dioptre et comportant au moins un point source de position connue,
• un dispositif de formation d'images apte à fournir au moins une image permettant la détermination déformations poiarimétriques de ia lumière reçue, et positionné de manière à recevoir les réflexions du point source sur ie dioptre à déterminer,
* et une unité de traitement d'image.
Selon l'invention, l'unité de traitement :
- focalise dans limage toute réflexion du point source iumineux par ie dioptre à déterminer, et en ce que, pour chaque réflexion localisée, i'unité de traitement :
- caicuie le rayon iumineux arrivant sur le dispositif de formation d'image, ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation,
- calcule le rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, à partir du rayon lumineux arrivant sur le dispositif de formation d'images en calculant ses déviations et les modifications de polarisation induites par la traversée de tout autre dioptre connu situé entre ie dioptre à déterminer et ie dispositif de formation d'images, - déduit du rayon lumineux réfléchi sur le dioptre à déterminer, de son paramètre de polarisation, de ia position connue du point source, et de tout dioptre connu interposé entre ta source et le dioptre à déterminer, ia position et l'orientation de l'élément de surface au point d'incidence sur le dioptre à déterminer.
De plus, le dispositif selon l'invention peut présenter en outre en combinaison d'au moins l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes :
- ia source lumineuse présente plusieurs points lumineux de positions connues, îesdtts points étant un ensemble de sources ponctuelles disjointes ou un ensemble de points remarquables de motifs géométriques bidimensionnels portés sur une surface émettrice de lumière,
- ia source lumineuse présente au moins une ligne lumineuse,
- un système de déplacement de l'objet relativement à la source et/ou au dispositif de formation d'images,
- le dispositif d'acquisition d'images fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'au moins deux surfaces sensibles exposées simultanément, la première recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une deuxième direction,
- le dispositif d'acquisition d'images fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'une surface sensible exposées au moins deux fois, la première fois recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième fois recevant des rayons filtrés par le polariseur orienté selon une deuxième direction, l'orientation de l'axe du polariseur pouvant être modifiée par exemple mécaniquement par rotation ou électriquement en commandant un dispositif à cristaux liquides,
- le dispositif d'acquisition d'images comporte une surface sensible matricielle sur laquelle est placé un filtre matriciel dont les filtres unitaires sont orientés selon au moins N directions différentes, N étant supérieur ou égai à 2, de manière à mesurer des paramètres de polarisation de la lumière arrivant sur le capteur, en combinant N pixeis voisins.
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exempies non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
La Figure 1 est un schéma de principe dans le cas où ii n'y a aucun dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer,
La Figure 2 est un schéma de principe, dans ie cas où un dioptre connu est interposé entre la source et le dioptre à déterminer,
La Figure 3 est un schéma du principe de mesure dans le cas où aucun dioptre connu n'est interposé entre la source et le dioptre à déterminer.
La Figure 4 est un schéma du principe de mesure dans ie cas où ii y a un dioptre connu interposé entre ia source et le dioptre à déterminer,
La Figure 5 est un schéma dans lequel ia source présente plusieurs points de positions connus pour la détermination de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer,
La Figure 6 est un ensemble de points remarquables appartenant à des motifs géométriques d'une source lumineuse.
La Figure 7 est un schéma illustrant le déplacement de l'objet relativement à la source et/ou à ia caméra qui permet par balayage de déterminer plusieurs éiéments de surface sur le dioptre à déterminer.
La Figure 8 est un schéma illustrant la reconstruction d'une portion de surface d'un dioptre à partir de plusieurs éléments de surface.
La Figure 9 est un schéma illustrant la reconstruction de deux dioptres superposés appartenant à un objet.
La Figure 10 est un exemple d'un tracé de rayon pour ie calcul dans ie cas où aucun dioptre connu n'est interposé entre la source et le dioptre à déterminer.
La Figure 11 est un exemple d'un tracé de rayon pour le calcul dans le cas où un dioptre connu est interposé entre ia source et Se dioptre à déterminer. La Figure 12 est un exemple de graphique montrant l'évolution de la fonction donnant la valeur absolue de la différence entre îe degré de polarisation du rayon réfléchi sur le dioptre à déterminer et le degré de polarisation hypothèse, en fonction de la distance,
L'objet de l'invention concerne un procédé et un dispositif I permettant le contrôle dimensionnel ou la mesure d'un élément de surface d'un objet A, par l'observation de réflexions lumineuses dites spéculai res. La réflexion est dite spéculai re lorsque le rayon lumineux incident donne naissance à un rayon lumineux réfléchi selon une unique direction selon ia loi de Sneil- Descartes pour la réflexion. Dans ie texte qui suit, est considéré comme surface spéculaire, tout dioptre tel que la réflexion et la réfraction de la lumière utilisée sont considérées comme spéculaires, c'est-à-dire tels que les effets de la diffusion et de l'absorption ne sont pas à prendre en compte.
L'objet A présente ainsi une ou plusieurs surfaces spéculaires superposées formant chacune un dioptre, Un dioptre est une surface ou interface séparant deux milieux d'indice optique (réel et/ou imaginaire) différents. Pour chaque dioptre, iî peut être défini un élément de surface correspondant à une surface élémentaire autour d'un point, qui est définie par les coordonnées du point et Sa normale à la surface en ce point. Une portion de surface ou d'un dioptre d'un objet correspond à la prise en compte de plusieurs éléments de surface. La forme tridimensionnelle d'un dioptre correspond à une portion de surface ou surface entière définie par ses équations paramétriques, ou bien une description par éléments finis, c'est-à-dire qu'on prend en compte les coordonnées 3D des points appartenant à ia surface et/ou les orientations des éléments de surface qui la composent, ou leurs normales ou encore les courbures.
Par orientation d'un élément de surface, il faut comprendre l'équation dans l'espace à trois dimensions de la normale à la surface ou encore les 3 composantes du vecteur normal à la surface. De même, tout calcul d'un rayon lumineux signifiera la détermination de l'équation de ia droite géométrique ou du segment de droite portant ledit rayon lumineux. Pour la clarté de l'exposé concernant le formalisme de Stokes-Mueller, on pourra se référer par exemple au livre intitulé « Polarized Ltght » de Dennis H.Goldstein (Polarized Light, CRC Press; 3rd édition, 16 Décembre 2010 ISBN-10: 1439830401).
Dans l'exemple de réalisation illustré à la Fîg. 1, le dispositif I selon
[invention permet la détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaîre formant un dioptre d'un objet A comportant un unique dioptre.
Dans l'exemple de réalisation illustré à la Fîg. 2, le dispositif I selon I invention permet la détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spécuîaire formant un dioptre d'un objet A comportant deux dioptres superposés.
D'une manière générale, le dispositif I selon {Invention comporte :
• une source lumineuse diffuse et pluridirectionnelle non polarisée B éclairant le dioptre de l'objet A à déterminer ou à caractériser, cette source lumineuse comportant au moins un point source 1 de position connue dans l'espace,
• un dispositif de formation d'images 2 apte à fournir au moins une image J permettant la détermination d'informations polarimétriques de la lumière reçue, et positionné de manière è recevoir les réflexions du point source 1 sur le dioptre à déterminer, et permettant la détermination d'informations de positions des points de réflexion spécuîaire du point source i sur le dioptre à déterminer,
• et une unité de traitement d'images non représentée et reliée au dispositif de formation d'images 2,
La source lumineuse diffuse B est une source émettant de la lumière non polarisée dans un cône d'émission plus ou moins important. Cette source lumineuse B qui peut être réalisée de toute manière appropriée est de nature divergente, non coîiimatée, ponctuelle et non polarisée. Cette source lumineuse B comporte un unique point source 1 comme illustré à la Fîg, 1 ou plusieurs points sources 1 comme illustré à la Fig. 5. La position des différents points sources 1 est connue dans l'espace. Par exemple, ces différents points sources sont réalisés par un ensemble de sources ponctuelles disjointes comme des diodes électroluminescentes ou par un ensemble de points remarquables 20 (Fig. 6) de motifs géométriques bidimensionnels portés par une surface émettrice de lumière. Ces points remarquables 20 sont des points définis sans équivoque par exemple par l'angle d'une forme géométrique comme carré, rectangle ou triangle, le centre d'un cercle de petite taille. Ii faut comprendre que Se point source 1 est remarquable dans la mesure où, si l'on analyse par des moyens informatiques une image directe ou indirecte de la source, il devient facile de trouver !e point et de déterminer sa position x, y dans limage.
Selon une autre variante de réalisation, la source lumineuse B présente au moins une iigne lumineuse.
Le dispositif de formation d'images 2 comporte une caméra apte à fournir au moins une image permettant la détermination d'informations poiari métriques de la lumière reçue. Par informations poiari métriques, on entend au moins le degré de polarisation du rayon lumineux,
En tant qu'image permettant la détermination d'informations poiarimétriques, on peut prendre une image contenant en tout point la valeur d'intensité d'au moins deux composantes du vecteur de poiarisation de la lumière reçue. Par composantes du vecteur de polarisation on désigne les intensités des projections du vecteur polarisation résultant de l'effet d'un poîariseur orienté selon des directions différentes, de préférence choisies de manière à optimiser la précision de calcul des paramètres de polarisation, li est à noter que la détermination de l'état de poiarisation au moyen de seulement deux composantes, de préférence orthogonales, est incomplète sauf à faire une hypothèse comme par exemple que l'orientation de la surface à déterminer est connue dans une direction ou dimension de l'espace. Il est donc avantageux de prendre en compte pour la détermination d'informations poiarimétriques au moins trois composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue.
Selon un exemple de réalisation, le dispositif d'acquisition d'images 2 fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'au moins deux surfaces sensibles exposées simultanément, la première recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté seion une deuxième direction.
Selon un autre exemple de réalisation, le dispositif d'acquisition d'images 2 fournit pour chaque pixel, au moins deux composantes de polarisation, à l'aide d'une surface sensible exposée au moins deux fois, la première fois recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième fois recevant des rayons filtrés par le polariseur orienté selon une deuxième direction, i 'orientation de l'axe du polariseur pouvant être modifiée par exemple mécaniquement par rotation ou électriquement en commandant un dispositif à cristaux liquides.
Seion un autre exemple de réalisation, le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte une surface sensible matricielle sur laquelle est placé un filtre matriciel dont tes filtres unitaires sont orientés seion au moins N directions différentes, N étant supérieur ou égal à 2, de manière à mesurer des paramètres de polarisation de la lumière arrivant sur le capteur, en combinant N pixels voisins.
L'homme du métier saura aisément adapter les exemples de réalisation du dispositif d'acquisition d'images 2 à l'obtention d'un nombre de composantes supérieur à deux afin de déterminer plus complètement et plus précisément les informations poiarimétriques.
Les caractéristiques du dispositif d'acquisition d'images 2 sont connues telles que notamment l'ensemble des paramètres intrinsèques et extrinsèques d'une caméra que l'homme du métier sait définir et obtenir par étalonnage a priori, puis utiliser dans les calculs géométriques dans l'espace, par exemple le modèle de Zhang décrit dans la publication (Z. Zhang. A flexible new technique for caméra calibration. IEEE Transactions on Pattem Analysis and Machine Intelligence, 22(11): 1330-1334, 2000.
Les caractéristiques du dispositif d'acquisition d'images 2 comprennent donc par exemple :
• !es directions de polarisation du ou des filtres, • la position du centre optique et la focale de l'objectif,
• ia direction de Taxe optique,
• la résolution en pixels par mm, l'orientation et le sens de lecture du/des capteurs optoélectroniques.
Bien entendu, ia configuration du dispositif I c'est-à-dire ia position du point source 1 et les caractéristiques du dispositif d'acquisition d'images 2, dont sa position sont adaptées en fonction de l'objet A afin que le dispositif d'acquisition puisse observer les réflexions spécuiaires des rayons lumineux incident émis par la source lumineuse B et se produisant sur le ou les dioptres de l'objet A. En particulier, dans ie cas de dioptres superposés, les réflexions sur chaque dioptre doivent être distinctes dans limage I et les angles d'incidence sur les dioptres, du rayon lumineux incident émis par ia source lumineuse B doivent correspondre à un degré de polarisation facilement mesurable, typiquement entre 20°et 55° pour du verre.
Pour la compréhension de l'invention, il est pris en compte l'absence ou la présence de dioptres entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer. En effet, le principe de l'invention permet de déterminer ou caractériser un dioptre soit si aucun dioptre n'est interposé entre ia source lumineuse B et ce dioptre à déterminer, soit si un ou plusieurs dioptres connus sont interposés entre la source lumineuse B et ce dioptre à déterminer, ce ou ces dioptres étant connus par ia méthode selon l'invention ou soit par une méthode différente. Par dioptre connu, on entend la connaissance des indices optiques des deux côtés du dioptre et la géométrie et la position d'un élément de sa surface, d'une portion de sa surface ou sa forme tridimensionnelle complète.
Les Fig. 1 et 3 illustrent ie principe de l'objet de i'invention pour lequel aucun dioptre n'est interposé entre la source lumineuse B et ie dioptre à déterminer ou à caractériser 6. Le rayon incident provenant du point source 1 est réfléchi sur un élément de surface spéculaire 4 du dioptre à déterminer 6, en un point d'incidence 12, pour donner naissance à un rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6. L'angle formé entre le rayon incident et la normale 5 de l'élément de surface 4 est égal à l'angle formé entre le rayon réfléchi 8 et la normaie 5 de i 'élément de surface 4, Limage 3 acquise par te dispositif d'acquisition d'images 2 comporte un point lumineux c'est-à- dire Sa réflexion 13 du point de source 1 par le dioptre à déterminer 6. Cette réflexion 13 dans i'image correspond directement au point d'incidence 12 vu par ie dispositif d'acquisition d'images 2. Cette réflexion 13 dans limage est obtenue par le rayon 3 arrivant sur ie dispositif d'acquisition d'images 2 et qui présente un degré de polarisation p.
Les Fîg. 2 et 4 illustrent le principe de l'objet de llnvention pour lequel un dioptre connu 9 est interposé entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. Selon cette variante de réalisation, l'image J acquise par le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte plusieurs points lumineux correspondant aux réflexions lumineuses sur le dioptre connu 9 et le dioptre à déterminer 6. Ainsi, l'image 3 comporte une réflexion 15 sur ie dioptre connu 9 et la réflexion 13 sur le dioptre à déterminer 6.
Un rayon incident provenant du point source 1 est réfléchi sur un élément de surface spéculai re 18 du dioptre connu 9, en un point d'incidence 14, pour donner naissance à un rayon réfléchi 8* sur le dioptre connu 9, L'angle formé entre le rayon Incident et ia normaie 5* de l'élément de surface 18 est égal à l'angie formé entre ie rayon réfléchi Si et la normale 5i de l'élément de surface 18. Limage J acquise par le dispositif d'acquisition d'images 2 comporte le point lumineux c'est-à-dire la réflexion 15 du point de source 1 par le dioptre connu 9. Cette réflexion 15 dans l'image correspond directement au point d'incidence 14 vu par le dispositif d'acquisition d'images 2.
Un autre rayon incident provenant du point source 1 est dévié par le dioptre connu 9 en un point d'incidence 19, pour être transmis sur l'élément de surface spécula ire 4 du dioptre à déterminer 6, en un point dlncidence 12, pour donner naissance à un rayon réfléchi 8 sur Se dioptre à déterminer 6 et présentant un degré de polarisation pr. L'angle formé entre le rayon incident transmis et la normale 5 de l'élément de surface 4 est égal à l'angle formé entre le rayon réfléchi 8 et la normale 5 de l'élément de surface 4. Le rayon réfléchi 8 subit une déviation au niveau du dioptre connu 9, en un point de transmission 16, Limage 3 acquise par ie dispositif d'acquisition d'images 2 comporte égaiement ie point lumineux c'est-à-dire la réflexion 13 du point source i par ie dioptre à déterminer 6. Cette réflexion 13 dans i 'image correspond directement au point de transmission 16 du dioptre connu 9 et vu par ie dispositif d'acquisition d'images 2.
La Fîg. 3 illustre le principe de l'invention dans le cas où aucun dioptre n'est interposé entre Sa source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. L'unité de traitement des images localise dans l'image, toute réflexion 13 du point de source lumineuse par ie dioptre à déterminer 6. L'unité de traitement des images calcule le rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation dlmage 2 ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de poiarisation p.
Il est à noter que le point d'incidence 12 sur fe dioptre à déterminer 6 est situé le long de ce rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation dlmage 2, En effet, même si la position du point source i produisant le rayon incident associé est connue, l'orientation du rayon incident n'est pas connue de sorte qu'il existe une infinité de positions possibles pour le point d'incidence 12 compte tenu de l'ambiguïté du couple normale / position. Mais il existe en revanche une seule position d pour une orientation donnée de ia normale 5, ou bien une seule orientation de fa normale 5 pour une position d donnée te long du rayon. Dans la suite de la description, le point d'incidence 12 sur ie dioptre à déterminer 6 est considéré comme situé à une distance d le long du rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6.
Il est à remarquer que dans l'exemple illustré à la Fïg.3 le rayon lumineux réfléchi 8 sur Se dioptre à déterminer 6 correspond au rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation dl mages 2. Aussi, à partir du rayon réfléchi 8 à savoir le rayon 3 arrivant sur le dispositif de formation dlmage 2, de son degré de polarisation p et de la position connue du point source 1, l'unité de traitement en déduit ia position d et l'orientation 5 de l'élément de surface 4 au point d'incidence 12 sur le dioptre à déterminer 6. La position en trois dimensions du point d'incidence 12 est ainsi déterminée, La Fîg. 10 illustre un exemple d'une méthode pour déterminer Sa distance d. Pour chaque distance hypothèse dhi on calcule le rayon incident issu de la source lumineuse 1, puis au point d'incidence, {'orientation de Sa normale de l'élément de surface de dioptre correspondant à cette hypothèse, puis, en utilisant par exemple le formalisme de Stokes-MueSler, !e degré de polarisation hypothèse phï du rayon réfléchi selon cette hypothèse, La distance d retenue est celle pour laquelle !e degré de polarisation hypothèse phi est égal au degré de polarisation réel mesuré p.
La Fîg, 12 est un exemple de graphique montrant l'évolution de la fonction donnant ia valeur absolue de Sa différence entre te degré de polarisation pr du rayon réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6 et le degré de polarisation hypothèse ph, en fonction de la distance d.
Cette fonction admet un minimum situé à la distance d qui correspond à ia distance réeîie de l'élément de surface appartenant au dioptre à déterminer 6. Pour l'exemple, on a positionné 4 éléments de surface correspondant à quatre distances d : d1, d2, d3 et d4, associés à quatre degrés de polarisation hypothèse phi Ph2 Ph3 Ptv*. Sur la Fîg, 10, on voit 4 distances et quatre degrés de polarisation. Le minimum de la fonction est situé en d=d2. Donc cette distance d2 correspond à la position réelle de l'élément de surface 4 c'est à dire du point d'incidence 12. Il existe donc une solution unique d dans l'intervalle considéré, permettant la détermination exacte de d et également, tous Ses rayons et degrés de polarisation étant déterminés, on connaît également la normale à l'élément de surface du dioptre au point de réflexion situé à Sa distance d.
Dans l'exemple illustré à la Fîg. 3, la source lumineuse B comporte un unique point source 1. Bien entendu, comme illustré à la Fîg. 5, il peut être prévu d'éclairer le dioptre à déterminer 6, à l'aide d'une source lumineuse B comportant plusieurs points source 1 dont les positions sont connues dans l'espace et identifiables dans limage. Selon cette variante de réalisation, les réflexions 13 de chaque point source 1 sont analysées comme décrite précédemment, et [a position et l'orientation de plusieurs éléments de surface 4 répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer 6 sont déterminées selon Sa méthode conforme à l'invention,
Il est à noter que selon une autre variante de réalisation, il peut être envisagé d'éclairer le dioptre à déterminer 6, à iaide d'une ou de plusieurs lignes lumineuses permettant de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis ie long de ia(ies) réflexion(s) de la (les) tigne(s) sur le dioptre à déterminer 6. Dans ce mode de réalisation, on prend en considération la ou les lignes lumineuses comme un ou des ensembles de points sources remarquables 1 et on analyse les lignes lumineuses obtenues sur la caméra 2 en les considérant également comme des ensembles de points images 15 ou 13, alors qu'en réalité la ligne et ses images étant au moins localement continues, Sa méthode ne fonctionne correctement que pour certains types de surface, par exemple dont la courbure est faible selon la direction parallèle à la ligne lumineuse,
La Fîg. 7 Illustre un autre mode de réalisation pour déterminer plusieurs éléments de surface 4 du dioptre à déterminer 6 dans lequel l'objet A est déplacé relativement par rapport à ta source lumineuse B et/ou au dispositif de formation d'images 2. Durant le déplacement de l'objet A, plusieurs images successives sont acquises, permettant par ce balayage, de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface 4 répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer 6.
Bien entendu, les éléments de surface 4 sont choisis pour reconstruire la forme tridimensionnelle d'au moins une portion voire de la totalité du dioptre à déterminer 6, comme illustré à la Fîg, 8.
La Fig. 4 illustre le principe de l'invention dans le cas où un dioptre connu 9 est interposé entre la source lumineuse B et le dioptre à déterminer ou à caractériser 6. L'unité de traitement des images localise dans l'image 3, toute réflexion 13 du point source 1 lumineux par le dioptre à déterminer 6. L'unité de traitement des images calcule le rayon lumineux 3 arrivant sur îe dispositif de formation d'image 2 ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation p. L'unité de traitement calcule le rayon lumineux réfléchi 8 sur le dioptre à déterminer 6 au point d'incidence 12, à partir du rayon lumineux 3 arrivant sur le dispositif de formation dimages 2 et en calculant ses déviations et, par exemple avec le formalisme de Stokes-Mueller, les modifications de polarisation pr induites par la traversée du dioptre connu 9 situé entre ie dioptre à déterminer 6 et le dispositif de formation d'images 2.
L'objet de l'invention consiste ensuite à déduire du rayon lumineux 8 réfléchi sur le dioptre à déterminer 6, de son paramètre de polarisation pr, de la position connue du point source 1, et du dioptre connu 9 interposé entre te point source 1 et le dioptre à déterminer 6, ta position d et l'orientation 5 de l'élément de surface 4 au point d'incidence 12 sur ie dioptre à déterminer 6.
La Fig. 11 illustre un exemple d'une méthode pour déterminer la distance d sur le rayon lumineux 8. Pour chaque distance hypothèse dhî on calcule le rayon incident issu de Sa source lumineuse 1, en prenant en compte sa déviation par le dioptre connu 9, puis au point d'incidence, l'orientation de la normale de l'élément de surface de dioptre à déterminer 6 correspondant è cette hypothèse, puis, en utilisant par exemple ie formalisme de Stokes-Mueiter, le degré de polarisation hypothèse phi du rayon réfléchi selon cette hypothèse, La distance d retenue est celle pour laquelle le degré de polarisation hypothèse phï est égal au degré de polarisation calculé pr.
Comme décrit précédemment en relation des Fîg. 10 et 12, cette méthode permet de déterminer la position réelle de l'élément de surface 4 au point d'incidence 12.
Bien entendu, le principe de l'invention peut être mis en œuvre pour caractériser un objet comportent deux dioptres superposés non connus à priori. Selon cet exemple et tel que cela ressort plus précisément de la Fig. 9, la méthode consiste à caractériser d'abord le dioptre externe c'est- à-dire le dioptre qui est traversé en premier par te rayon incident puis ensuite le dioptre interne en considérant que le dioptre externe est connu. Ainsi, pour déterminer l'élément de surface 12 appartenant au dioptre interne 6, on détermine d'abord l'élément de surface 18 du premier dioptre traversé par les rayons en prenant en compte fa réflexion 15 sur ce premier dioptre. On fait ensuite l'approximation que ce dioptre est localement plan et on le considère connu pour permettre de déterminer l'élément de surface 12 appartenant au deuxième dioptre 6.
En pratique, on observe dans limage acquise, !es réflexions 13, 15 du point source 1 sur les deux dioptres, on détecte la position dans limage de ces réflexions et on mesure le degré de polarisation associé à chaque réflexion, on se sert des données issues de la réflexion sur le premier dioptre pour déterminer un élément de surface de ce premier dioptre, puis on fait l'hypothèse que fe premier dioptre est localement plan et on se sert des données issues de la deuxième réflexion pour déterminer à la fois la normale au point de ce deuxième dioptre et la position tridimensionnelle de ce point La caractérisation du dioptre externe est réalisée selon la technique décrite en relation des Fig. 1 et 3 alors que la caractérisation du dioptre interne est réalisée selon ia technique décrite en relation des Fig. 2 et 4.
Plus précisément, comme expliqué précédemment, le procédé vise à détecter la position de la première réflexion 15 dans limage 3, ce qui permet de calculer le rayon lumineux 8i arrivant sur le dispositif d'acquisition d'images 2 et provenant de l'élément de surface 18 du premier dioptre, au point d'incidence 14. Ce point dlncidence 14 est situé quelque part le long de ce rayon lumineux 3.
Pour lever l'ambiguïté normale/position, on mesure te degré de polarisation associé à cette première réfiexion permettant de calculer l'orientation de cet élément de surface 18 à savoir sa normale pour lever {Indétermination. La position tridimensionnelle du point d'incidence 14 est calculée,
Pour ia seconde réflexion 13 dans l'image J, on détecte la position du point lumineux correspondant à Sa seconde réfiexion dans limage et on calcule ie rayon lumineux 3 arrivant sur te dispositif d'acquisition d'images 2. On fait l'hypothèse que la surface externe est localement plane. Cette hypothèse est vérifiée lorsque la distance entre tous les points 19, 14, 16 (à savoir les points d'incidence 19, 14 et le point de transmission 16) est faibie et que le rayon de courbure locai de cette surface est grand, Cette hypothèse permet de considérer une portion de surface externe locale 17 comme l'extension autour du point d'incidence 14 de l'élément de surface 18 puis de caicuîer l'intersection du rayon 3 arrivant sur te dispositif de formation d'image avec cette surface locale à savoir ie point de transmission 16, du rayon réfléchi par l'élément de surface 4 du dioptre interne.
Comme ia surface 17 est considérée comme localement plane, on considère que la normale est la même au point d'incidence 14 et au point de transmission 16. Connaissant l'indice de réfraction, il est ainsi possible de caîcuier ie rayon réfléchi 8 par le dioptre interne 6. Là encore, ie point d'incidence 12 sur ie dioptre interne 6 est situé quelque part le long de ce rayon lumineux. Comme déjà expliqué, il existe une ambiguïté entre la normale et la position au point d'incidence 12.
On mesure ie degré de polarisation associé à cette deuxième réflexion. Le degré de polarisation mesuré pour ie rayon entrant dans ie dispositif d'acquisition d'images 2 correspond au passage successif de trois interfaces. Chaque passage d'interface ou de dioptre influe sur le degré de polarisation final en comptant que les transmissions influent beaucoup moins que ia réflexion. Ii apparaît donc impossible de mesurer directement l'orientation de la surface interne car on ne connaît pas l'influence de la première transmission.
Pour prendre en compte cette transmission, on procède par optimisation comme expliqué précédemment afin de déterminer la distance d entre le point de transmission 16 et ie point d'incidence 12. On peut alors obtenir la position du point d'incidence en trois dimensions et ia normaie à ce point d'incidence.
D'une manière générale, pour une série de dîoptres superposés, la méthode consiste à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, par ia même méthode, calculé par approximation les positions et orientations des éléments de surfaces des dioptres successivement traversés par tes rayons.
Selon un autre exemple de réalisation, pour une série de dioptres superposés, la méthode consiste à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dîoptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, reconstruit la forme tridimensionnelle des portions de surface des dioptres successivement traversés par ies rayons, ce qui permet au lieu d'utiliser l'hypothèse de surface localement plane, de prendre en compte ladite forme tridimensionnelle de la surface 9 autour des points 19, 14, 16 (à savoir les points d'incidence 19, 14 et le point de transmission 16) conduisant à une meilleure précision notamment lorsque la courbure n'est pas négligeable.
L'objet de l'invention consiste ainsi à reconstituer le chemin tridimensionnel parcouru par les rayons lumineux issus de la source lumineuse en s'aidant de la mesure du degré de polarisation pour lever les indéterminations. Cette technique permet de s'affranchir de la mesure de l'angle de polarisation de Sa lumière. Cette technique nécessite de connaître l'indice de réfraction du matériau constitutif de l'objet, à la fois pour calculer ies rayons réfractés et pour avoir un modèle reliant le degré de polarisation et l'orientation de l'élément de surface du dioptre.
Bien entendu, la méthode selon l'invention qui permet la détermination de la position et l'orientation de deux éléments de surface de deux dioptres successifs, permet de déterminer l'épaisseur du matériau transparent séparant ies deux éléments de surface des deux dioptres.
De même, la méthode selon l'invention permet de déterminer la répartition en épaisseur du matériau transparent situé entre les portions de surface de deux dioptres consécutifs en déterminant la forme tridimensionnelle d'une portion du premier dioptre et la forme tridimensionnelle d'une portion du deuxième dioptre.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Méthode de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculaire formant un dioptre d'un objet (A) comportant un ou plusieurs dioptres superposés caractérisée en ce qu'elle consiste à :
• éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide d'au moins un point source lumineux diffus non polarisé (1), la position dudit point source 1 étant connue dans l'espace,
• acquérir à travers un dispositif de formation d'image (2) au moins une image (3) permettant la détermination d'informations polarimétriques de la ou les réflexions du point de source sur le dioptre à déterminer,
• localiser dans l'image (J), toute réflexion (13, 15) du point source (1) lumineux par le dioptre à déterminer (6), et pour chaque réflexion localisée :
- calculer le rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2) ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation (p),
- calculer le rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer (6) , à partir du rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d'image (2) en calculant ses déviations et les modifications de polarisation (pr) induites lors de la traversée de tout autre dîoptre connu (9) situé entre le dioptre à déterminer (6) et le dispositif de formation d'image (2),
- déduire du rayon lumineux (8) réfléchi sur ie dioptre à déterminer (6), de son paramètre de polarisation (pr)f de ia position connue du point source (1), et de tout dioptre connu (9) interposé entre la source (1) et le dioptre à déterminer (6), la position (d) et l'orientation (5) de l'élément de surface (4) au point d'incidence sur le dioptre à déterminer.
2 - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle consiste à éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide de plusieurs points source (1) lumineux de positions connues dans l'espace et identifiables dans l'image, de manière à ce qu'en analysant les réflexions de chaque point source (1) lumineux, on détermine la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer (6).
3 - Méthode selon la revendication i, caractérisée en ce qu'elle consiste à éclairer le dioptre à déterminer (6) à l'aide d'une ou de plusieurs lignes lumineuses permettant de déterminer la position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis le long de ia(les) réflexion(s) de ia(les) ligne(s) sur le dioptre à déterminer.
4 - Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle consiste à déplacer l'objet (A) relativement à la source (1) et/ou au dispositif de formation d'images (2), et à acquérir durant le déplacement, plusieurs images successives, permettant par ce balayage de déterminer îa position et l'orientation de plusieurs éléments de surface répartis en plusieurs endroits du dioptre à déterminer.
5 - Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle consiste à reconstruire à partir de plusieurs éléments de surface, la forme tridimensionnelle d'au moins une portion de surface d'un dioptre de l'objet
6 - Méthode selon une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle consiste, pour une série de dioptres superposés, à déterminer Sa position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, par la même méthode, calculé par approximation les positions et orientations des éléments de surfaces des dioptres successivement traversés par les rayons.
7 - Méthode selon une des revendications i à 5, caractérisée en ce qu'elle consiste pour une série de dioptres superposés, à déterminer la position et l'orientation d'au moins un élément de surface d'un dioptre à déterminer, en ayant, auparavant et successivement dans l'ordre inverse de traversée du rayon réfléchi, reconstruit îa forme tridimensionnelle des portions de surface des dioptres successivement traversés par les rayons.
S - Méthode selon les revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle consiste, à partir de la détermination de la position et l'orientation de deux éléments de surface de deux dioptres successifs, à déterminer l'épaisseur du matériau transparent séparant les deux éléments de surface des deux dioptres.
9 - Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle consiste, à déterminer la répartition en épaisseur du matériau transparent situé entre les portions de surface de deux dioptres consécutifs en déterminant la forme tridimensionnelle d'une portion du premier dioptre et la forme tridimensionnelle d'une portion du deuxième dioptre.
10 - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle consiste à acquérir comme image permettant la détermination d'informations polarimétriques, une image contenant en tout point la valeur d'intensité d'au moins deux composantes du vecteur de polarisation de la lumière reçue.
11 - Dispositif de détermination de la position et de l'orientation d'au moins un élément de surface spéculai re formant un dioptre d'un objet (A) comportant un ou plusieurs dioptres superposés, le dispositif comportant :
• une source lumineuse (B) diffuse et pluridirectionnelie éclairant le dioptre et comportant au moins un point source (1) de position connue,
» un dispositif de formation d'images (2) apte à fournir au moins une image (J) permettant la détermination d'informations polarimétriques de la lumière reçue, et positionné de manière à recevoir les réflexions du point source sur le dioptre à déterminer,
• et une unité de traitement d'image,
caractérisé en ce que l'unité de traitement :
- localise dans limage (J) toute réflexion (13, 15) du point source lumineux par le dioptre à déterminer, et en ce que, pour chaque réflexion localisée, l'unité de traitement :
- calcule le rayon lumineux (3) arrivant sur le dispositif de formation d Image (2), ainsi que, comme paramètre de polarisation, au moins son degré de polarisation,
- calcule le rayon lumineux réfléchi (8) sur le dioptre à déterminer, à partir du rayon lumineux (3) arrivant sur te dispositif de formation d'images (2) en calculant ses déviations et ies modifications de polarisation induites par la traversée de tout autre dioptre connu situé entre le dioptre à déterminer (6) et le dispositif de formation d'images (2),
- déduit du rayon lumineux réfléchi (8) sur ie dioptre à déterminer (6), de son paramètre de polarisation, de la position connue du point source (1), et de tout dioptre connu interposé entre la source et le dioptre à déterminer, ia position et l'orientation de l'élément de surface au point d'incidence sur le dioptre à déterminer.
12 - Dispositif seion la revendication il, caractérisé en ce que ia source lumineuse (B) présente plusieurs points lumineux de positions connues, lesdits points étant un ensemble de sources ponctuelles disjointes ou un ensemble de points remarquables de motifs géométriques bidimensionneîs portés sur une surface émettriœ de lumière.
13 - Dispositif seion tes revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la source lumineuse (B) présente au moins une ligne lumineuse.
14 - Dispositif selon l'une des revendications il à 13 caractérisé en ce qu'il comporte un système de déplacement de l'objet (A) relativement à la source (B) et/ou au dispositif de formation d'images (2).
15 - Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que ie dispositif d'acquisition d'images (2) fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'au moins deux surfaces sensibles exposées simultanément, la première recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, la deuxième recevant des rayons fiitrés par un polariseur orienté selon une deuxième direction.
16 - Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition d'images (2) fournit pour chaque pixel au moins deux composantes de polarisation, au moyen d'une surface sensible exposées au moins deux fois, la première fois recevant des rayons filtrés par un polariseur orienté selon une première direction, ia deuxième fois recevant des rayons filtrés par ie polariseur orienté selon une deuxième direction, l'orientation de l'axe du polariseur pouvant être modifiée par exemple mécaniquement par rotation ou électriquement en commandant un dispositif à cristaux liquides. 17 - Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif d'acquisition d'images (2) comporte une surface sensible matricielle sur iaqueiie est placé un filtre matriciel dont les filtres unitaires sont orientés selon au moins N directions différentes, M étant supérieur ou égal à 2, de manière à mesurer des paramètres de polarisation de la iumière arrivant sur le capteur, en combinant N pixels voisins.
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Inventor name: LECONTE, MARC

Inventor name: DROUET, FLORENCE

Inventor name: AUBRETON, OLIVIER

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