3D-MBA: SYSTÈME DE RECONNAISSANCE D'OBJETS PAR VISION BASÉ MODÈLES 3-D APPLIQUE AUX MONDES VIRTUELS ROBOTISÉS

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1 3D-MBA: SYSTÈME DE RECONNAISSANCE D'OBJETS PAR VISION BASÉ MODÈLES 3-D APPLIQUE AUX MONDES VIRTUELS ROBOTISÉS ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PAR Emerico NATONEK Bachelier en Ingénierie, génie électrique, Ecole Polytechnique de Montréal, Canada de nationalité canadienne acceptée sur proposition du jury: Prof. J. Jacot, directeur de thèse Prof. T. Pun, corapporteur Dr M. Turk, corapporteur Prof. P. Xirouchakis, corapporteur Lausanne, EPFL 1996

2 Résumé La vision artificielle cherche de nouvelles approches pour rendre les opérations de reconnaissance d'objets plus performantes. Parmi les différentes méthodes proposées, une meilleure utilisation des connaissances a priori que l'on possède des objets présente plusieurs avantages. Le présent travail de thèse propose un système de reconnaissance d'objets basée modèles 3-D exploitant les connaissances a priori appelé 3D-MBA (Three Dimensional Mode1 Based Approach). Ce système exploite les différents capteurs qui nous renseignent sur la photométrie et la topologie de la scène, en combinant des images virtuelles, réelles et de profondeur. Dans ce contexte, nous avons défini une méthode basée sur la combinaison des techniques de reconnaissance, ascendante et descendante. En exploitant directement les images de profondeur issues des capteurs spécialisés tels que les scanners 3-D, on cherchera des informations sur l'image pour créer des hypothèses et engendrer le processus d'identification de type prédiction-vérification. Par des isomorphismes de graphes, basés sur des contraintes géométriques, nous créerons des hypothèses. On montrera qu'une technique de corrélation sur les images de profondeur ainsi que sur les images d'intensité, servira à la vérification des hypothèses. Il sera possible d'affiner ces dernières afin de s'orienter vers la reconnaissance finale de l'objet. Les systèmes d'assemblage robotisés actuels sont difficiles à programmer, et cette phase consomme énormément de temps. La réalité virtuelle présente une gestion des systèmes robotisés plus aisée en proposant l'utilisation d'interfaces intuitives. L'idée de base réside en la possibilité de définir un monde informatique tridimensionnel dans lequel l'opérateur peut évoluer et spécifier d'une manière intuitive, les opérations à faire exécuter par le robot. En introduisant la notion d'environnement virtuel robotisé VRRE (Virtual Realiiy Robotics Environment), nous montrerons l'importance d'une interface intuitive homme-machine. Appliqué à l'assemblage, un tel système pourrait reconnaître, non seulement que les pièces à assembler sont bonnes, mais il serait aussi capable de vérifier la qualité de l'assemblage venant d'être effectué. L'approche des environnements virtuels robotisés permet une programmation plus performante de tâches robotiques. De plus, l'utilisation de la rétroaction visuelle et de réflexes embarqués pour la manipulation de robots à distance, ouvrent d'autres perspectives à la téléopération de systèmes robotiques semi-autonomes.

3 Abstract Artificial vision is looking for new approaches to improve object recognition. A better use of a priori knowledge will improve the identification task. An innovative object recognition system exploiting a priori knowledge called Three Dimensional Mode1 Based Approach (3D-MBA) is proposed in this thesis. By taking advantage of the different available sensors (range scanner, CCD carnera) our system will combine Top-down and Bottom-up approaches by using intensity, range and virtual images. Feature extraction is performed by segmenting range images. These features are then combined to search in a geometrical constraint graph enabling object hypothesis generation, thus starting a prediction-verification process. We will show that correlation techniques on range and intensity images can be used to validate the hypothesis. It is possible to refine those hypotheses to converge to the final recognition. Robotics assembly systems are tedious to operate and time consuming. Virtual Reality offers a novel technique to manage robotics systems. The user is immersed in a 3-D space built out of models of the robot's environment. He directly interacts with the virtual "components" in an intuitive and cost effective way. By introducing a Virtual Reality Robotics Environment (VRRE) we will prove the importance of intuitive man machine interfaces. Such a system applied to assembly will not only identify the pieces to be assembled but could also check the exactness of the executed task. The use of VRRE enables a powerful robotics task programming environment. Furthermore VRRE with visual feedback and reflex-based systems offer new perspectives for teleoperated semi-autonomous robotics systems.

4 Table des matières ABSTRACT... v REMERCIEMENTS... Vi CHAPITRE 1 INTRODUCTION LA VISION. UNE ANALYSE Du signal au symbole La vision basée modèle La robotique La rcalitc virtuelle LE BUT DU TRAVAIL CONTRIBUTION^ ORGANISATION DU MÉMOIRE CHAPITRE 2 ETAT DE L'ART RECONNAISSANCE D'OBJETS BASÉE MODÈLES Modèles 2D Modèles 2%D Modèles 3-D RECONNAISSANCE D'OBJETS BASÉE IMAGE DE PROFONDEUR Formation d'images de profondeur Segmentation et interprétation des images de profondeur RÉSUMÉ CHAPITRE 3 RÉALISATION DU SYSTÈME DE RECONNAISSANCE D'OBJETS 3D-M'A MOD~LISATION La modélisation et 3D-MBA Création du modèle pour 3D-MBA Définition des matériaux et applications des textures Création de la scène (script) vii

5 Table des matières Rendu de la scène Exemple de modélisat.ion pour 3D-MBA Résumé EXTRACITON D'ATTRIBUTS L'extraction d'attributs et 3D-MBA Segmentation d'images de profondeur pour 3D-MBA Formulation mathématique de la segmentation La segmentation d'images de profondeur multi-résolution Exemple d'extraction d'attributs pour 3D-MBA Résumé CRÉATION D'HYPOTHÈSES Approche classique pour la création d'hypothèses Le regroupement des plans en objets pour 3D-MBA Création automatique de script Exemple de regroupernent de surfaces en objet et création de script Résumé MISE EN CORRESP0NDANC:E La reconnaissance de 3D-MBA Le principe de la corrklation Les limites de la corrélation Vérification d'hypothèses par corrélation Exemple de mise en correspondance avec 3D-MBA Résumé CHAPITRE 4 LE DÉMONSTRATEUR LA PLATE-FORME Les composantes du di5monstrateur LA ROBOTIQUE Caractéristique du Mitsubishi Movemaster RV-M Cinématique du robot Création des fichiers de commande et gestion du robot Résumé LA RÉALITÉ VIRTUELLE Les composantes du système virtuel robotisé VRRE proposé La réalité virtuelle et 1.3 robotique Création de llenvironni:ment virtuel robotisé VRRE La programmation de iâches La simulation La téléopération Résumé LA VISION Les composantes du système de vision Les capteurs 2-D et La calibration Transformation des coordonnées Vision locale - comportement réflexe Résumé PRÉHENSEUR ET ASSEMBLAGE Le principe Le préhenseur Résumé Vlll

6 Tables des matières 4.6 LE COMPORTEMENT RÉFLEXE Implémentation du comportement réflexe Résumé LA COMMUNICATION Le principe L'implémentation Informations transmises Résumé CHAPITRE 5 LES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX DE 3D-MBA Segmentation d'un objet séparé Segmentation de plusieurs objets Segmentation multi-résolutions Reconnaissance d'un objet Résumé RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX POUR LA PLATE-FORME ROBOTISÉE Résultats expérimentaux pour la programmation de l'assemblage Résumé CHAPITRE 6 EVALUATION DES RÉSULTATS EVALUATION DES R~SULTATS DE 3D-MBA Acquisition des images Extraction d'attributs Création d'hypothèses Vérification des hypothèses Utilisation des connaissances a priori EVALUATION DE LA PLATE-FORME VRRE Interface homme-machine Visualisation des résultats issus de 3D.MBA. via une interface virtuelle Programmation de tâche via un environnement virtuel robotisé Préhenseur CHAPITRE 7 CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE... 18s ANNEXE ANNEXE ANNEXE ANNEXE LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX CURRICULUM VITAE

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