Tendances mondiales vers les technologies d'acquisition d'images 2D et 3D pour la conception et le développement d'applications dans les installations industrielles, de services et de production
par José Miguel Sanchiz

Par: José Miguel Sanchiz - 6 de Mayo de 2022

José Miguel Sanchiz est professeur associé à l'université Jaume I de Castellón. Il est ingénieur en télécommunications, titulaire d'un diplôme en physique et d'un doctorat en ingénierie informatique. Il est l'auteur de 10 articles publiés dans des revues internationales à comité de lecture, et de plus de 50 communications dans des conférences internationales.


1. Projets visant á développer des machines dotées de vision artificielle

KEELTEK ENGINEERING SOLUTIONS S.L. est l'une des entreprises avec lesquelles il a collaboré en tant que partenaire et expert dans les conceptions et projets de solutions requises par nos clients pour leurs installations industrielles et productives lorsque nous trouvons des opportunités d'amélioration dans lesquelles l'introduction de la vision artificielle est le facteur de décision pour augmenter la "capacité" de l'équipement et/ou "augmenter" la qualité des produits en cours de fabrication.

Les 3 applications les plus intéressantes de la vision artificielle développées dans des projets de conception et de mise en service d'équipements et de machines sont les suivantes:

  1. Inspection en ligne de carreaux de céramique décorés, apprentissage de modèles et détection de défauts

  2. Détection des bases en céramique, de leurs trous pour insérer les décorations, et des tesselles décoratives, le tout en ligne pour la manipulation par un bras robotisé

  3. Détection et mesure de caisses et colis en ligne par vision 3D

Ce POST expose quelques concepts de base sur l'évolution de la vision industrielle et ses applications dans le développement d'équipements et de machines pour les processus industriels et de production dans les secteurs de l'économie mondiale qui ont besoin d'incorporer l'innovation pour augmenter la capacité productive de leurs usines et profiter des opportunités d'amélioration au sein des lignes de production dans lesquelles la vision industrielle peut être incorporée. J'écris cet article car de nombreux responsables de processus industriels me demandent En quoi consiste la vision artificielle appliquée à l'industrie 4.0 ?



Commençons par nous demander ce que nous entendons par "vision industrielle", c'est-à-dire des systèmes qui détectent fondamentalement deux types d'images:

  • Reflectancia de la Luz: Aquellos en los que el sensor o sensores miden la intensidad de luz reflejada

  • Distance : celles dans lesquelles on mesure la distance à la surface de l'objet

Bien que les deux types de systèmes soient conçus pour détecter des données afin de les organiser en une matrice de lignes et de colonnes, c'est-à-dire une image, leur contenu est de nature très différente. Dans le cas des données de réflectance de la lumière, nous avons ce que l'on appelle communément une image, qui peut être en couleur ou en noir et blanc (niveaux de gris). Dans le cas des capteurs de distance, nous avons une image de distance, c'est-à-dire une image des profondeurs entre le capteur et la surface de l'objet, dans chaque direction de mesure. Si la géométrie du capteur est également connue, ce qui est toujours le cas, les profondeurs peuvent être converties en coordonnées 3D (x,y,z) de chaque point de la surface mesurée, dans le système de coordonnées du capteur, c'est-à-dire que nous obtenons une image 3D.

Les images sont dites en 3D car les données sont organisées en lignes et en colonnes. Il existe des capteurs qui génèrent des points 3D désorganisés, ce que l'on appelle un nuage de points. Leur utilité est très différente de celle qui nous intéresse ici, leur utilisation principale étant la modélisation 3D.

Dans les projets de développement de machines et d'équipements pour les installations et les processus industriels, plusieurs technologies sont utilisées pour obtenir des images 2D (de la lumière réfléchie) et des images 3D (de la surface de l'objet). Détaillons ces systèmes.


2. Systèmes d'imagerie 2D

Ce sont les images habituelles de la lumière reflétée. Ils peuvent être classés selon le spectre de la lumière captée et selon la géométrie du capteur.

En termes de spectre de la lumière réfléchie capturée, nous avons:

  • Images en niveau de gris ou en noir et blanc: Une seule bande spectrale est capturée, qui peut être dans le visible, l'infrarouge ou l'ultraviolet. La plage du spectre capturé est généralement fixée par un filtre dans l'objectif, ou entre l'objectif et le capteur (CCD ou CMOS). Une application industrielle peut être la détection et la mesure des formes, c'est-à-dire le contour des objets, par exemple pour le tri des fruits

  • Imagerie couleur: Trois bandes accordées dans trois gammes du spectre autour des couleurs rouge, verte et bleue. Ces bandes sont standardisées. Par construction, on utilise souvent des capteurs tri-CCD, où chaque pixel comporte trois petits capteurs avec trois filtres de couleur dans le rouge, le vert et le bleu. Une application industrielle peut être la mesure de la couleur des carreaux de mosaïque pour le contrôle de la qualité

  • Imagerie hyperspectrale: Il s'agit d'images dans lesquelles le capteur est accordé sur une certaine bande du spectre. Le réglage est effectué par des méthodes électroniques et est rapidement reconfigurable. Habituellement, plusieurs bandes sont prises à des moments différents, l'une après l'autre, ce qui est applicable si l'objet est stationnaire. Les principales applications sont l'imagerie par satellite et l'inspection de produits, où l'on recherche un élément chimique particulier, une molécule, etc., connu pour réfléchir davantage de lumière dans une certaine bande du spectre



En termes de géométrie des capteurs, il existe des capteurs ou caméras matriciels et des capteurs ou caméras linéaires. Les capteurs ont une construction différente et leurs utilisations sont également différentes.

  • Caméras matricielles: sont celles dont le capteur est une matrice, c'est-à-dire qu'il est bidimensionnel. Les exemples sont tous les appareils photo et les caméras industrielles conventionnelles. L'image d'une zone, d'un objet entier, est prise en même temps. Cette technique est utile lorsque les objets ou la zone de travail sont de petite taille. Les inconvénients de son application industrielle sont qu'il est difficile d'obtenir un éclairage constant sur toute la zone. En outre, les objets peuvent produire des ombres. Leur utilisation est généralement limitée aux zones d'inspection ne dépassant pas 500 x 500 mm et aux objets plats ou presque plats.

  • Caméras linéaires: le capteur est unidimensionnel, une ligne. Pour obtenir l'image d'un objet, il faut en principe que l'objet se déplace à une vitesse constante, ou que la caméra soit déplacée (ce qui présenterait de nombreux inconvénients, comme des vibrations et des images floues ou tremblantes). Pendant que l'objet se déplace à une vitesse constante, les lignes sont prises à une vitesse telle que l'espacement des lignes est égal à la résolution des pixels. Cela donne des images carrées. Une alternative, si la vitesse des objets n'est pas constante, est d'utiliser un encodeur et de déclencher l'acquisition de la ligne chaque fois que l'objet se déplace d'une distance fixe, quelle que soit sa vitesse. Cette technique doit être utilisée si la ligne peut s'arrêter et reprendre son mouvement, produisant ainsi des accélérations. Une application industrielle peut être l'inspection de grands carreaux de céramique

Les principaux avantages des caméras linéaires sont que les lignes sont toujours prises dans la même zone unidimensionnelle, ce qui facilite grandement la production d'un éclairage constant. Il n'y a pas non plus d'ombres. En revanche, ces caméras fournissent des images en 2D comme s'il s'agissait d'une matrice, et les objets peuvent être de taille considérable, pour autant qu'ils passent sous la caméra. L'image de l'objet entier n'est formée qu'après son passage, mais dans de nombreuses applications d'inspection, des images partielles de l'objet peuvent être analysées pendant son passage. Les caméras linéaires ont également une résolution beaucoup plus élevée que les caméras matricielles, avec des modèles allant de 4K, 8K ou 16K pixels par ligne. Le nombre de lignes que peut avoir une image prise avec une caméra linéaire est indéterminé.



3. Systèmes d'imagerie 3D

Les images 3D sont des points dans l'espace disposés dans une matrice. Normalement, les capteurs qui prennent des images 3D fournissent également une image 2D de la lumière réfléchie, mais ils sont utilisés dans des applications où l'accent est mis sur la forme de la surface de l'objet, plutôt que sur la lumière réfléchie par chaque partie ou point de la surface de l'objet. Par conséquent, l'image 2D qu'ils fournissent (en niveaux de gris) n'est généralement pas utilisée, mais elle est disponible si nécessaire, par exemple pour localiser un logo imprimé sur l'objet.

Il existe essentiellement deux types de capteurs 3D:

  • Caméras TOF ou Time Of Flight (TOF): Ce sont des caméras matricielles. Ils intègrent un projecteur ou un illuminateur qui éclaire l'objet avec une lumière modulée par un signal à haute fréquence. Normalement, la lumière infrarouge de façon à ce qu'elle ne soit pas visible. La lumière réfléchie et reçue dans chaque élément du capteur, dans chaque pixel, est également modulée et comparée à la lumière émise. La comparaison se fait par voie électronique. Elle consiste à mesurer le décalage temporel entre l'onde modulant la lumière émise, disponible au niveau du capteur, et l'onde modulant la lumière reçue. Évidemment, le décalage temporel est proportionnel à la distance parcourue par la lumière, puisque la vitesse de la lumière est une constante universelle.

Aujourd'hui, ces caméras n'ont pas la résolution et la précision nécessaires pour être utilisées dans des applications industrielles. Ils n'ont pas non plus la robustesse qu'exigent les éléments industriels. Ils sont essentiellement destinés à l'industrie des loisirs, aux jeux vidéo, etc., pour capter les mouvements des joueurs afin qu'ils puissent interagir.

  • Profilomètres: Ces appareils sont le pendant 3D des caméras linéaires. Leur fonctionnement est très similaire dans la façon dont les images sont formées (en 3D dans ce cas). L'objet doit passer sous le profilomètre à une vitesse constante, et le profilomètre prend des lignes. Chaque pixel contient les coordonnées 3D (x, y, z) d'un point de la surface. Si la vitesse de passage de l'objet n'est pas constante, l'acquisition de la ligne peut être déclenchée par un codeur à chaque fois qu'il avance d'une distance fixe. Le principe de fonctionnement est qu'un plan laser est émis et qu'il y a une caméra matricielle à haute vitesse avec un filtre accordé sur le spectre du laser émis. Le laser coupe l'objet en produisant une ligne sur sa surface. La ligne est facilement identifiée automatiquement par des méthodes d'analyse du signal. Un logiciel inclus dans le profilomètre analyse chaque image prise. À partir de la calibration du plan laser avec la caméra, obtient les coordonnées 3D de chaque point.

  • Les profilomètres sont essentiellement destinés à un usage industriel. Ils sont conçus pour l'industrie et, selon le modèle, nécessitent des mesures de sécurité en raison de la puissance du laser. Les principaux fabricants de capteurs industriels les incluent dans leurs catalogues. Leur précision dépend de la taille de la zone à capturer, et peut atteindre des centièmes de millimètre.



4. Avantages de l'imagerie 3D par rapport à l'imagerie 2D

Les images 3D prises par le balayage de pièces lors de leur passage dans une ligne sont de nature différente des images de réflectance de la lumière, qu'il s'agisse d'images couleur classiques, d'images en niveaux de gris dans les bandes infrarouge et visible, ou d'images multi bandes dans le cas d'images multispectrales.

Notez que les mesures contenues dans une image 3D sont des distances à la surface des pièces. Le capteur convertit ces distances en coordonnées (x, y, z) des points de leur géométrie, données dans le système de coordonnées du capteur. Il s'agit de coordonnées réelles à partir desquelles des mesures réelles peuvent être extraites sans qu'il soit nécessaire de procéder à un étalonnage, comme ce serait le cas avec des images en 2D.

L'image 3D est constituée de points disposés dans une matrice, contrairement aux autres systèmes d'acquisition 3D qui fournissent des nuages de points désorganisés. Ceci est très important car le voisinage de chaque point est connu, ce qui permet de raisonner sur la surface. Ce voisinage devrait être reconstruit dans le cas d'un nuage de points. Les mesures d'une image 3D sont indépendantes de la réflectance de la lumière, ce qui est un grand avantage par rapport aux images par réflectance, car cela permet de raisonner et de détecter des facettes d'intérêt sur la surface indépendamment de sa couleur.

Le fait de disposer de la géométrie d'une surface et non de sa couleur ou de son niveau de gris dans une certaine bande permet de baser la détection sur la forme de la surface, en recherchant des facettes telles que les zones de courbure extrême, les pics, les vallées, les hauteurs, les coins, les directions des courbures principales, etc. Cependant, les équipements d'imagerie 3D fournissent généralement aussi une image 2D de la lumière réfléchie, qui correspond pixel par pixel à l'image 3D.

Le capteur le plus approprié pour l'imagerie 3D dans l'industrie est un profilomètre. Cet équipement scanne les objets lorsqu'ils passent sous lui en projetant un plan laser, qui dessine une ligne ou un profil sur l'objet. Aucun éclairage externe n'est donc nécessaire. La déformation de la ligne qui suit la forme de la surface permet de détecter les coordonnées de chaque point de la surface, ce qui est pris en charge par le logiciel incorporé au capteur. Le nombre de points sur chaque ligne dépend de la résolution du capteur, les valeurs typiques sont 1280 ou 2048 points.



5. J'ai besoin d'une société pour un projet qui nécessite de la vision industrielle

Chez KEELTEK ENGINEERING SOLUTIONS S.L nous sommes experts dans l'intégration des personnes qui vont composer les équipes de projet pour le développement de solutions pour l'industrie. Nous établissons des alliances stratégiques avec des professionnels et des entreprises pour créer et diriger des équipes de haute performance afin de livrer à nos clients les équipements industriels requis par l'évolution de l'industrie 4.0 et la capacité potentielle que nos clients veulent atteindre avec d'excellents niveaux de productivité parce que nous formons les opérateurs et le personnel de maintenance pour maintenir des niveaux d'efficacité OEE > 95% qui sont des valeurs de classe mondiale dans les entreprises industrielles, de services et productives dans n'importe quel secteur du monde qui se sont engagées à l'excellence opérationnelle et ont un plan d'actifs industriels pour migrer vers les niveaux de productivité de l'industrie 4.0.

Si vous avez identifié une opportunité d'amélioration ou un goulot d'étranglement dans votre installation industrielle, contactez-nous et nous vous donnerons des idées et des suggestions sans aucun engagement. Nous aimons la technologie et notre vision est d'aider les entreprises industrielles en leur fournissant des idées et des innovations.

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Daniel Plá CEO de Keeltek Engineering Solutions s.l – Empresa fabricante de maquinaria industrial