Projet de Fin d Etudes. Résumé

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1 Projet de Fin d Etudes Conception et réalisation d'un prototype de borne interactive destinée à la visualisation en réalité augmentée de deux modèles numériques des fortifications de Nancy Renaissance Résumé Mission Renaissance 2013 Ville de Nancy Communauté Urbaine de Nancy PFE soutenu par Nicolas Eck Département mécanique Mécatronique - 5 ème année Septembre 2012 Tuteurs : Emmanuel Alby Eddie Smigiel INSA de Strasbourg

2 PROJETS DE FIN D'ÉTUDES 2011/2012 Conception et réalisation d'un prototype de borne interactive destinée à la visualisation en réalité augmentée de deux modèles numériques des fortifications de Nancy Renaissance Structure d'accueil «Mission Renaissance 2013» Laboratoire de photogrammétrie INSA de Strasbourg PFE présenté par Spécialité / Promotion Tuteur du PFE dans la structure d'accueil Tuteur(s) pédagogique(s) du PFE Date de fin de confidentialité du PFE Nicolas ECK Mécatronique M. Alain BARBILLON MM. E. ALBY et E. SMIGIEL Pas de confidentialité 1. Contexte Ce projet s inscrit dans le contexte de la manifestation intitulée «Renaissance Nancy 2013» organisée par la Communauté urbaine du Grand Nancy et la ville de Nancy. Cet événement débutera le 4 mai 2013 et prendra fin le 4 août 2013, et est orchestré par le groupe «Mission Renaissance». Un large éventail de manifestations sera proposé à cette occasion, et l une d entre elles consiste à présenter au public des modèles numériques du bastion de Vaudémont et de la porte Saint George tels que les Nancéens de l époque de la Renaissance pouvaient les voir, à l aide de dispositifs de réalité augmentée. La réalité augmentée désigne les systèmes informatiques qui rendent possible la superposition d'un modèle virtuel 2D ou 3D à la perception que nous avons naturellement de la réalité et ceci en temps réel. Ainsi, une borne interactive de visualisation en réalité augmentée est un dispositif équipé d un écran et d une caméra, permettant de visionner un décor réel dans lequel ont été implantés un ou plusieurs modèles numériques. Le groupe PAGE (Photogrammétrie Architecturale et GEomatique) de l INSA de Strasbourg a répondu à l appel d offre de la Mission Renaissance pour la réalisation des PFE / Mécatronique / Nicolas ECK - 2/6 -

3 modèles et la mise en œuvre du dispositif, en proposant des stages à deux étudiants de l école. La création des modèles numériques 3D a été effectuée par un étudiant topographe : Johann Tonnerieux. Le besoin de la Mission Renaissance est l installation de deux bornes interactives, sur la place Stanislas et sur l Avenue du Vingtième Corps, destinées à mettre à la disposition du grand public respectivement des modèles numériques 3D du bastion de Vaudémont et de la porte Saint George. Le groupe PAGE dispose d un budget de HT pour la réalisation des deux bornes. Cependant, les objectifs de mon projet de fin d études sont la conception et la réalisation d un prototype de borne, ainsi que la programmation d une interface utilisateur et de l application de réalité augmentée, adaptable aux deux sites. Mon projet de fin d études s est déroulé au laboratoire de photogrammétrie de l école et fut ponctué de plusieurs déplacements à Nancy à l occasion de réunions avec le groupe de la Mission Renaissance. 2. Conception de la borne La conception de la borne est basée sur le cahier des charges établi lors du projet de recherche technologique. Le bras articulé de la borne est constitué d un système quatre barres, appelé pantographe, permettant le réglage de la hauteur de l écran, et d une liaison pivot permettant l orientation sur l axe vertical. La borne dispose d un coffret étanche et de coques de protection garantissant la résistance du système aux intempéries. Figure 1 : Modèle définitif de la borne Le cœur de la borne est le PC embarqué. La carte électronique IHM (Interface Homme-Machine) simule un clavier à quatre touches, et la carte Capteurs relève l état des capteurs de détection de l orientation de la borne. PFE / Mécatronique / Nicolas ECK - 3/6 -

4 Figure 2 : Composants internes 3. Interface utilisateur L interface utilisateur est un programme exécutable lancé automatiquement à l allumage de l ordinateur. Elle contrôle le démarrage et l arrêt du programme de l application de réalité augmentée. L utilisateur peut interagir avec l interface à l aide du clavier USB à quatre boutons simulé par la carte Arduino et son montage associé. Figure 3 : Schéma de fonctionnement interne L interface utilisateur destinée à la borne de la place Stanislas est composée d une fenêtre de démarrage réservée au service technique, une page informative principale et l application de réalité augmentée. La page principale sert de renvoi vers l office du tourisme et la borne de la porte Saint George. Figure 4 : Schéma de l'interface de la borne place Stanislas PFE / Mécatronique / Nicolas ECK - 4/6 -

5 4. Application de réalité augmentée La conception de l application de réalité augmentée a nécessité l utilisation d une bibliothèque de traitement d images pour afficher le modèle numérique. Celui-ci n est pas exploité en trois dimensions, mais en tant qu image. Plusieurs rendus du modèle sous forme de panoramas sphériques à 360 degrés sont utilisés. L application de réalité augmentée est un programme exécutable, codé en C++, qui s appuie sur la bibliothèque OpenCV pour afficher le panorama dans la vidéo issue de la caméra. Un algorithme a été développé pour créer une image corrigée, sans déformation, à partir du panorama sphérique. Ce traitement sélectionne une zone du panorama pour créer une image rectangulaire sans déformation appelée image intermédiaire. L algorithme a été nommé «copierpixelparpixel». Les coordonnées de la position de la zone à traiter dans le panorama sont définies en fonction de la valeur d orientation renvoyée par les capteurs. Le code C++ envoie régulièrement des demandes de lecture de données à l aide d un identifiant. La carte Arduino reconnaît ces identifiants et répond avec la donnée appropriée. L image intermédiaire est insérée dans la vidéo selon un traitement d image spécifique au résultat souhaité et le résultat est affiché à l écran, dans une fenêtre Windows. Le panorama peut être inséré dans le flux vidéo de trois façons, ce qui permet d obtenir trois vues différentes : en transparence, panorama uniquement, en superposition réaliste avec l environnement. Figure 5 : Fonctionnement de l'application de réalité augmentée PFE / Mécatronique / Nicolas ECK - 5/6 -

6 5. Fabrication du prototype L usinage de toutes les pièces mécaniques de la borne a été réalisé dans les ateliers de l INSA, avec l aide des techniciens de la plate-forme mécanique. Figure 6 : Usinage et assemblage des pièces mécaniques Toutefois, la société Technibox, spécialisée dans la plasturgie sans moule et sur mesure, a été démarchée pour la fabrication des coques plastiques de protection et du coffret. L étude de fabrication est réalisée à partir des dessins CAO établis lors de la conception de la borne. Cette étude a abouti sur un nouveau modèle qui a été validé à la suite de plusieurs échanges avec la société. Figure 7 : Modèle du coffret final 6. Conclusion La réalisation du prototype, en particulier la fabrication des pièces mécaniques, a été plus longue que les prévisions de la planification des tâches, effectuée au début du projet. Ce retard s explique en partie par les difficultés que j ai rencontrées à l usinage et mon manque d expérience dans ce domaine. En termes de perspectives pour la suite des travaux, il peut être intéressant de suivre plusieurs pistes de réflexion. La première est l utilisation d un potentiomètre doté d une course entre 90 et 120 degrés, plus faible que l existant, pour augmenter le nombre de positions par degré. La seconde est l achat d une caméra plus performante : idéalement, 30 fps pour une résolution de 1 mégapixel par image. Ces deux améliorations devraient permettre de fluidifier davantage l affichage du résultat de l application. Financièrement, il reste HT sur les HT de budget initial. PFE / Mécatronique / Nicolas ECK - 6/6 -

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