Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et modélisation de déformations

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1 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Matthieu Dujardin T cite this versin: Matthieu Dujardin. Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins. Engineering Sciences <dumas > HAL Id: dumas Submitted n 18 Dec 2013 HAL is a multi-disciplinary pen access archive fr the depsit and disseminatin f scientific research dcuments, whether they are published r nt. The dcuments may cme frm teaching and research institutins in France r abrad, r frm public r private research centers. L archive uverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusin de dcuments scientifiques de niveau recherche, publiés u nn, émanant des établissements d enseignement et de recherche français u étrangers, des labratires publics u privés.

2 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS ÉCOLE SUPÉRIEURE DES GÉOMÈTRES ET TOPOGRAPHES MÉMOIRE présenté en vue d'btenir le DIPLÔME D'INGÉNIEUR CNAM Spécialité : Gémètre et Tpgraphe par Matthieu DUJARDIN Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Sutenu le 28 juin 2013 JURY PRÉSIDENT : M. Arnaud GALLAIS Président du jury MEMBRES : M. Laurent POUX Maître de stage M. Ghyslain FERRÉ Prfesseur référent M. Stéphane DURAND Examinateur M. Jean-Frédéric FUCHS Examinateur M. Gwenaël SAGNE Examinateur M. Richard THÉVENOT Examinateur

3 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins «Tut dans la nature se mdèle sur la sphère, le cône et le cylindre, il faut apprendre à peindre sur ces figures simples, n purra ensuite faire tut ce qu'n vudra.», Paul CÉZANNE. Avant-prps Le terme des tris années d études à l ESGT abuti sur le Travail de Fin d Études, prjet à caractère prfessinnel ayant pur but de s intégrer au mieux au mnde du travail. De plus, le TFE cnsiste en un travail de recherche imprtant sur une lngue durée. Ce travail s est dérulé au sein de la SARL Lechêne & Assciés, cabinet de gémètres-experts lcalisé à BOLBEC en Seine-Maritime, sur une durée de cinq mis. Ce rapprt aura pur but de mettre en évidence les activités réalisées durant ces 20 semaines de travail. Cela passera par la recnnaissance de frmes, ntamment en industrie, pur tut ce qui cncerne les tuyauteries ainsi que les bacs de stckage. Cette étude sera utile par la suite afin de puvir mdéliser des défrmatins entre un mdèle thérique le plus prche pssible du mdèle réel et un nuage de pints mesurés sur le terrain, u même entre deux «scans» d un même bjet pur vérifier une quelcnque évlutin. Remerciements Dans un premier temps, je tiens à remercier Mnsieur Laurent POUX, mn maître de stage, pur m avir accmpagné durant tute la durée de ce TFE, d avir pris le temps de répndre aux questins qui me venaient à l esprit, mais aussi pur m avir guidé dans ma démarche de cette étude. Je suhaite remercier également Messieurs Stéphane et Jean-Luc LECHÊNE, c-gérants de cette entreprise, pur m avir accueilli durant ces 20 semaines de ma dernière année d études. Je tiens de plus à remercier Stéphane (infrmaticien), Alain et Linel (équipe urbanisme), David et Jean-Paul (équipe industrie), Éric et Christphe (équipe terrain) ainsi que Brigitte, Sylvie et Anne (secrétariat, assistance et cmptabilité) pur m avir accueilli cmme un membre de l équipe. De même, je remercie Mnsieur Ghyslain FERRÉ, prfesseur référent de mn TFE, pur sa dispnibilité et le suivi de ce prjet, ainsi qu à l ensemble du crps enseignant, pur l enseignement thérique reçu à l ESGT. Un grand merci également à Mnsieur Niclas LANDRIVON, du bureau cmmercial TECHNODIGIT, pur avir cntribué à ce prjet en autrisant une utilisatin prlngée du lgiciel 3DReshaper. Pur finir, ces remerciements s adressent également aux persnnes de mn enturage, famille et amis, pur leur sutien durant tute la durée de ce TFE ainsi que l ensemble de mn cursus d enseignement supérieur. Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 1

4 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Glssaire Ajustement : il s agit d une étape de traitement pur mdéliser un nuage de pints. Cette phase va permettre d ajuster les dimensins du mdèle CAO utilisé, et va le recaler au mieux sur l ensemble des pints du nuage. Inspectin : elle est synnyme de «cmparaisn». Ce traitement permet de cmparer deux maillages (nuages de pints maillés u triangulés), deux nuages de pints u encre un mdèle et un nuage de pints, afin de faire ressrtir des écarts tridimensinnels, avec l utilisatin d un dégradé de culeurs. Lasergrammétrie : technique de relevé tridimensinnel à partir d un balayage laser dnt le pas est réglable par l utilisateur. Sa cadence de prise de mesures est très élevée. Les scanners laser 3D cnstituent un util utilisant cette technique. Maillage : il s agit d un traitement permettant de créer une surface à partir du nuage de pints. Des trinômes de pints sernt reliés entre eux afin de créer des triangles dans l espace. Par abus de langage, un maillage peut également crrespndre au nuage maillé. Nrmale d une surface : elle désigne la perpendiculaire au plan tangent d une surface en un pint. Sur l exemple de la sphère, la nrmale en un pint de la surface est représentée par la drite passant par ce pint et le centre du mdèle (la sphère). Plaquage de texture : après le maillage, il s agit d une cmmande (que l n truve sur 3DReshaper par exemple) permettant de plaquer une image (phtgraphie, résultat d inspectin exprtée cmme image, ) sur le mdèle maillé btenu précédemment. De cette manière n btiendra un slide avec du relief et des culeurs, permettant de mieux déterminer les défrmatins d une zne. Primitive : il s agit d un mdèle de base à la mdélisatin 3D. Le mélange d un jeu de primitives permet de réaliser des mdèles plus cmplexes. On retruve par exemple : le plan, la ligne, le cercle, le cylindre, la sphère, le cône, le tre, (exemple d une tuyauterie avec cudes et autres raccrds). Ré-échantillnnage : il s agit d un util permettant de mdifier la quantité de pints d un même nuage. En cas de sur-échantillnnage, il faudra densifier le nuage existant à partir de méthdes d interplatin par exemple. Pur le sus-échantillnnage, il faudra supprimer des pints de manière régulière, ntamment lrsque l n cherche à diminuer la taille d un fichier. Le prcédé reste le même que lrs d une réductin de la réslutin d une image. Segmentatin : étape du traitement de recnnaissance de frme permettant d isler des prtins de nuage et de supprimer le bruit envirnnant afin de puvir mdéliser avec plus de fiabilité. Visée rasante : il s agit d une visée dnt l angle frmé entre celle-ci et la tangente à la surface à mesurer est faible. Si la mesure se fait avec un rayn laser, ce dernier prendra une frme d ellipse sur la surface et la distance purra être perturbée. Visinage : c est l ensemble des pints les plus prches d un pint chisi. Il se paramètre ntamment à partir d une sphère u d un cylindre centré sur le premier pint (sélectinné par l utilisateur) Page 2 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

5 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Table des matières Avant-prps... 1 Remerciements... 1 Glssaire... 2 Table des matières... 3 Intrductin... 5 INT.1 PRESENTATION DE L'ENTREPRISE D'ACCUEIL... 5 INT.2 CONTEXTE DE L'ETUDE... 5 INT.2.1 Mdélisatin 3D... 5 INT.2.2 Purqui relever?... 6 INT.2.3 Techniques de relevés 3D... 6 INT.3 PROBLEMATIQUE... 7 INT.4 OBJECTIFS VISES... 7 INT.5 PLAN DU MEMOIRE... 7 I ETAT DE L'ART DE L'EXISTANT... 8 I.1 LA TECHNIQUE LASER SCANNER 3D... 8 I.1.1 Principe de la méthde... 8 I Le principe physique du laser... 8 I Le principe de la méthde de relevé par scanner laser 3D... 8 I.1.2 Différents types de scanners... 9 I.1.3 Les risques liés au laser I Les risques pur la peau I Les risques pur l'œil I Et pur les scanners? I.1.4 Les avantages et incnvénients de cette technique I Les avantages I Les incnvénients I.2 GEOREFERENCEMENT I.3 QUELQUES LOGICIELS POUR LA MODELISATION DE NUAGES DE POINTS I.3.1 3DReshaper I.3.2 Meshlab II RECONNAISSANCE DE FORMES II.1 PREAMBULE II.2 SEGMENTATION II.3 LES ALGORITHMES DE RECONNAISSANCE DE FORMES II.3.1 Chix de la primitive II.3.2 En sélectinnant 1 pint, par étude de visinage II Tirage du premier pint II Tirage des autres pints II Créatin du cylindre II Cas de plusieurs cylindres dans un nuage II.3.3 Utilisatin des mindres carrés implicites II.3.4 Recnnaissance par 2 pints et leur nrmale II Chix des pints II Créatin d'un plan II Mise en place du mdèle CAO Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 3

6 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins II.3.5 Cnclusin II.4 LA RECONNAISSANCE DE FORMES SUR KUBIT II.4.1 Qu'est-ce que Kubit? II.4.2 Sn utilité II.4.3 Les lgiciels utilisés II.4.4 Liaisns entre tubes II.4.5 Exemple II.4.6 Remarques sur des prblèmes rencntrés avec le scanner II.5 CONCLUSION III MODELISATION DE DEFORMATIONS III.1 PREAMBULE III.2 DEFORMATIONS A PARTIR DE MODELES CAO SIMPLES III.2.1 Etude de l'affaissement d'un plafnd : cas du plan III Chix du plan III Inspectin III Améliratins pur un usage simplifié pur les clients III.2.2 Etude de défrmatins d'un bac : cas du cylindre III Chix du cylindre III Inspectin du bac d'hydrcarbures III Améliratins pur un usage simplifié pur les clients III.3 DEFORMATIONS D'UN MODELE ISSU DU LOGICIEL POINTSENSE PLANT III.3.1 Etude de défauts d'un tuyau cudé III.3.2 Améliratin au préalable sur PintSense Plant III.3.3 Lissage de la partie cudée III.3.4 Déplacement des pints manuellement III.3.5 Cnclusin sur ces résultats Cnclusin Bibligraphie/Webgraphie Table des figures Table des annexes Page 4 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

7 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Intrductin INT.1 Présentatin de l entreprise d accueil La SARL LECHÊNE & assciés, située à Blbec (76) est cnstituée de tris assciés, Messieurs Stéphane et Jean-Luc LECHÊNE, ce dernier ayant succédé à Mnsieur PRUDHOMME en 1985, 3 ans après leur assciatin. Mnsieur Laurent POUX, c-gérant représente le pilier de la gématique et de l infrmatique au sein du cabinet. Pur finir, une dizaine d emplyés cmplètent cette structure à des pstes divers (dessinateur, urbanistes, levé en industrie, ). Le cabinet pssède un ptentiel d activités très étendu, qu il s agisse de la tpgraphie, du fncier, de l aménagement du territire, de l urbanisme, des prjets de cnceptin et enfin de la tpgraphie industrielle, qui réclame une rigueur imprtante, au vu des cnséquences puvant en déculer (danger humain et risque écnmique). Pur certains travaux, ntamment pur la réalisatin de plans d intérieurs imprtants (grands bureaux administratifs, architecture ) u bien la mdélisatin en tris dimensins d une pièce industrielle, cette entreprise a recurs à la lasergrammétrie terrestre. La SARL lue actuellement un scanner laser FARO chez un cnfrère, mais demeure cependant désireuse d en acquérir un prchainement. En effet, la rapidité d acquisitin de mesures et la qualité du résultat btenu (précisin évaluée à plus u mins 2mm par Far pur une prtée de 0,6 à 120 mètres) cnstituent des caractéristiques nn négligeables, cmpte-tenu de certaines demandes actuelles. L entreprise s investit aujurd hui de plus en plus dans cette technique de mesure à la pinte de la technlgie, ntamment sur des chantiers de grande ampleur. En revanche, les phases de traitement nécessitent une durée assez élevée de travail, cnstituant un aspect négatif du scanner laser 3D. C est dnc dans ce cadre que s inscrit mn TFE. Ce dernier permettra de mettre en évidence les utils existants en terme de recnnaissance de frmes, afin d amélirer : La rapidité du traitement, La qualité de la représentatin. De même le fait de puvir effectuer des mdélisatins de défrmatins permettra à l entreprise de varier ses pssibilités de marchés avec les divers clients, ntamment en industrie pur la préventin des risques. INT.2 Cntexte de l étude INT.2.1 Mdélisatin 3D À l heure actuelle, la mdélisatin en tris dimensins s accrît cntinuellement. En effet, la réalisatin de mdèles 3D de bnne qualité attire une nuvelle clientèle de plus en plus nmbreuse. On retruve cet aspect dans un nmbre de dmaines très variés : tpgraphie, cnceptin et jeux vidé. Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 5

8 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Tpgraphie : architecture, plans d intérieur et de façade, relevés industriels, uvrages d arts, cnservatin du patrimine. Cnceptin de maquettes pur des prjets à grande échelle : cnceptin des avins, des véhicules autmbiles à l aérdynamisme grandissant u même pur les structures de transprt maritime. Créatin de jeux vidé de tutes srtes, pur amélirer le graphisme et attirer une plus grande variété d utilisateurs. INT.2.2 Purqui relever? Plusieurs bjectifs peuvent être à l rigine d une vlnté de mdéliser en tris dimensins. Il peut s agir, cmme ce sera le cas dans cette étude, de la représentatin en tris dimensins de diverses pièces industrielles (chez EXXON u TOTAL par exemple), afin de mieux anticiper les risques dus à certaines défrmatins. Un chc sur une tuyauterie n apparaît pas tujurs visuellement, mais peut masquer certaines pathlgies, puvant devenir à l rigine de trubles affectant la sécurité du persnnel de l entreprise. Dans un cntexte différent, il peut demeurer nécessaire d effectuer ce type de relevé dans le but de préserver des bjets u cnstructins faisant partie intégrante de ntre patrimine (Abbaye de l Épau située au sud-est du Mans, grttes de Lascaux lcalisées à Mntignac en Drdgne, château de Versailles, ). INT.2.3 Techniques de relevés 3D Aujurd hui, n retruve un certain nmbre de techniques pur la réalisatin de relevés en tris dimensins, chacune pssédant ses avantages et ses défauts. On retruve ntamment : La lasergrammétrie terrestre u aérprtée, La phtgrammétrie, La radargrammétrie. La lasergrammétrie (cnnue également sus le nm de LIDAR : LIght Detectin And Ranging) terrestre u aérprtée cnsiste en un balayage de mesures effectuées au laser, avec une cadence d acquisitin relativement élevée. Nus verrns plus en détails cette méthde par la suite. La phtgrammétrie, quant à elle, permet la créatin de mdèles tridimensinnels à partir de deux prises de vue successives, recuvrant une même zne avec un angle différent. À partir d une identificatin de pints u de lignes similaires entre deux clichés, il devient pssible de créer un nuage de pints (sur Phtmdeler Scanner par exemple) u de vir directement en 3D par la superpsitin de deux clichés différents en visin stéréscpique. Enfin, la radargrammétrie cnstitue une technique permettant de prendre des mesures à partir de l envi d une nde radi effectuant un trajet aller-retur. Cntrairement à la technique LIDAR, utilisant des ndes cmprises entre 126 nm (pur le diargn Ar 2) et 10,6 µm (pur le dixyde de carbne CO 2), la radargrammétrie utilise une lngueur d nde aux alenturs de 2 cm. Page 6 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

9 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins INT.3 Prblématique Aujurd hui, il est pssible d effectuer de la mdélisatin 3D aisément. Cette technique ayant tendance à se dévelpper rapidement, tut cmme l ensemble de la haute technlgie actuelle, il devient imprtant de se maintenir à jur dans ce dmaine. De plus, au vu de la situatin écnmique, la clientèle tend à chercher les meilleurs prix pur des prestatins, ainsi qu une durée plus rapide pur la réalisatin de ces services. Il cnvient dnc de truver des myens pur amélirer la qualité et la rapidité de traitement de nuages de pints dans le but de satisfaire au mieux la clientèle visée à ce genre de prjet. INT.4 Objectifs visés Un nmbre imprtant de lgiciels de traitements de nuages de pints u de mdèles numériques en tris dimensins existe à l heure actuelle. Il cnvient de faire un état des lieux des utils existants pur savir lesquels snt les plus adéquats pur répndre à la prblématique de ce prjet. Il sera également nécessaire de les tester, en s attachant d avantage sur les pssibilités de recnnaissance de frme, sujet encre peu traité aujurd hui. Des tests sur des défrmatins entre nuages u entre un nuage et un mdèle sernt également effectués pur avir la pssibilité de mettre en valeur d éventuelles pathlgies dues à un chc u un autre phénmène. Une étude sur un cas cncret sera également réalisée afin de vérifier les pssibilités et la qualité des lgiciels présents. INT.5 Plan du mémire Le plan de cet expsé sera basé sur tris parties : État de l art des éléments existants, Recnnaissance de frme, Mdélisatin de défrmatins. Dans une première partie, nus établirns un état des lieux de l existant, récapitulant pur cmmencer les caractéristiques de base du scanner laser 3D. Cette partie traitera également des questins de géréférencement avant de s achever sur le chapitre présentant les différents lgiciels dispnibles à ce jur. Dans une secnde partie, le cntenu sera en ttalité cnsacré à la recnnaissance de frmes. Les slutins prpsées par 3DReshaper sernt présentées, ntamment sur la partie algrithme de recnnaissance. Les slutins de la sciété Kubit sernt également étudiées. Pur finir, la trisième et dernière partie cnsistera en la mdélisatin de défrmatins de nuages de pints par rapprt à d autres relevés 3D au scanner u des mdèles CAO. Cette partie purra dnc s appliquer aux éléments intervenants suite à la recnnaissance de frmes, afin d étudier des défrmatins seln un certain mdèle en fnctin des éléments mesurés sur le terrain. Cet expsé s achèvera par une cnclusin sur l utilisatin du scanner laser 3D, mais surtut sur les répnses apprtées pur amélirer le traitement, psant parfis des difficultés, en cas de quantité trp imprtante de pints. Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 7

10 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins I État de l art de l existant I.1 La technique scanner laser 3D I.1.1 Principe de la méthde I Le principe physique du LASER Le LASER (de sn nm anglais Light Amplificatin by Stimulated Emissin f Radiatin) cnstitue une surce de lumière chérente, c est-à-dire dnt le faisceau de lumière émis est très fin, avec une faible divergence (de l rdre du milli radian). L émissin d une surce de lumière nécessite une excitatin du milieu, le rayn étant prduit par l émissin stimulée d un électrn. En passant de la secnde cuche d un atme à la première, ce dernier va libérer une certaine énergie cnstituant la surce de lumière. Pur puvir l utiliser, il est nécessaire de psséder les tris éléments suivants [Figure.1, (J.DUROY, 2012)]: Un milieu amplificateur u actif, Un système d excitatin u de pmpage, Une cavité résnante, cnstituée de deux mirirs, l un ttalement réfléchissant, le secnd semi réfléchissant, pur laisser passer une partie de la lumière. Les lasers peuvent être différents seln leurs caractéristiques : lngueur d nde, puissance, péride de répétitin, durée de l impulsin, diamètre et divergence du faisceau. Figure.1 : Principe physique du laser I Les principes de la méthde de relevé par scanner laser 3D Le laser, pssédant des qualités remarquables dans de nmbreux dmaines (médecine, industrie, ) cnstitue un atut majeur en matière d acquisitin de mesures tpgraphiques. Il a permis, au début, de déterminer des distances grâce au calcul du temps aller-retur de l nde à partir de la cnnaissance de la lngueur d nde. Cette technique fut ensuite assciée au thédlite (appareil permettant la mesure d angles hrizntaux et verticaux) pur abutir au tachémètre (mesures d angles et de distances). De cette manière, à partir de calculs trignmétriques, il est pssible de déterminer des écarts en tris dimensins par rapprt au centre ptique du tachémètre. Après le calcul de la psitin et de l rientatin de l appareil, il devient facile d btenir les crdnnées des pints mesurés. Aujurd hui, cette technique pursuit sn évlutin. Il devient alrs aisé d effectuer ces prises de mesures avec une certaine autmatisatin et cadence de mesures. Le scanner laser 3D remplit ce rôle à merveille, puvant mesurer jusqu à 1 millin de pints par secnde (pur les appareils fnctinnant par mesure de décalage de phase). Il permet d effectuer un balayage de pints en vertical, l appareil turnant ensuite sur lui-même pur le balayage hrizntal. Page 8 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

11 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins I.1.2 Différents types de scanners Plusieurs types de scanner laser snt actuellement dispnibles sur le marché : Scanner laser à impulsin u temps de vl, Scanner laser à différence de phase, Scanner laser à triangulatin, Dans le premier cas, le scanner émet un rayn laser, mais dit cependant attendre le retur de l nde envyée pur réaliser la mesure suivante. Ainsi, cnnaissant la vitesse de l nde, le scanner devient capable de mesurer la distance des pints au scanner. Dans ce cas, l appareil est adapté pur la mesure de lngues distances. En revanche, la cadence de mesures de pints est limitée (quelques milliers de pints par secnde). Pur le scanner à différence de phase, ce dernier prblème s élimine. En effet, ce type de scanner laser envie une nde en cntinu. La mesure de distance est btenue en calculant le temps de décalage de phase entre l émissin de l nde et sa réceptin. Bien que figurant cmme un instrument de mesure ultra rapide (jusqu à 1 millin de pints par secnde), sn principal prblème réside dans la prtée (devant être inférieure à 120m, maximum pssible). Une autre cntrainte cnsiste en l apparitin d artefacts. Prenant des mesures en cntinu, n purra vir apparaître des pints faux ntamment quand le scanner passe d une mesure d un bjet au premier plan à un secnd bjet à l arrière-plan. On retruve le cas d une armire et du mur derrière au niveau d une arête de celle-ci. Pur le scanner laser à triangulatin, le principe est simple. Le scanner émet un rayn sur un bjet. Une caméra est également utilisée pur déterminer l angle β entre la directin caméra-scanner et la directin caméra-bjet mesuré. La distance entre la caméra et le scanner reste cnnue en permanence. De plus, en prenant la mesure de l angle α entre la directin scanner-caméra et la directin scannerbjet mesuré, il devient pssible de déterminer le triangle cmplet frmé par les smmets scanner-bjet-caméra. Sur l illustratin cicntre [Figure.2 (J.NICOLAS-DUROY, 2012)], d AB, α et β snt cnnus. Figure.2 : Principe du scanner à triangulatin Dans ntre cas, l étude prtera sur un scanner laser terrestre Far Fcus 3D (Figure.3 ci-cntre), qui utilise des mesures de phase. Cet appareil demeure parmi les meilleurs scanners du mment, ntamment grâce à sa cadence de pints (jusqu à pints par secnde), sa précisin annncée à plus u mins 2mm (précisin et figure.3 issues du site 3d/apercu) ainsi que sn très faible gabarit (le plus petit du marché : 5 kg). De plus, le scanner permet la génératin d une image atteignant une réslutin de 70 mégapixels. Il cnvient de se rendre cmpte néanmins Figure.3 : Scanner laser Far de deux petits défauts, la présence d artefacts au niveau de certaines arêtes et la prtée limitée (pas plus de m). Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 9

12 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins I.1.3 Les risques liés au laser I Les risques pur la peau (J.NICOLAS-DUROY, 2012) Les effets du laser sur la peau snt essentiellement dus à la chaleur prduite par le rayn. En fnctin du type de laser emplyé (lngueur d nde) et de la zne en cntact avec le faisceau laser, les dangers pur la peau ne sernt pas les mêmes : Simple rugeur, Carbnisatin superficielle, Lésins plus u mins prfndes. I Les risques pur l œil (J.NICOLAS-DUROY, 2012) De même que pur la peau, les dangers du laser pur l œil dépendent de plusieurs facteurs (lngueur d nde, temps d expsitin, ). Il reste difficile d évaluer un seuil de sécurité pur éviter tus ces risques. Plusieurs risques snt à prendre en cnsidératin : Inflammatin, Brûlure de la crnée, Lésin du cristallin, Cataracte, Lésin des phtrécepteurs, Diminutin de la visin périphérique, Sensibilité accrue à l ébluissement. I Et pur les scanners? Les lasers snt regrupés en diverses classes seln leur danger ptentiel. Les scanners laser 3D appartiennent à la classe 3R u 3A, cela signifie dans un premier temps que le risque incendie est nul. En revanche la visin directe pur l œil représente un ptentiel danger. Cependant, la visin par réflexin diffuse ne cmprte pas de danger. Il cnvient dnc de prendre certaines mesures de sécurité avant le lancement de la prise de mesures avec le scanner, ntamment faire attentin que persnne ne regarde le scanner au mment de lancer l pératin. À partir d une certaine distance en revanche, le rayn laser perd de sa puissance, atténuant ainsi les risques de l expsitin de l œil. Cette distance, appelée Distance Nminale du Risque Oculaire (DNRO), est calculable à partir de la frmule suivante (J.NICOLAS-DUROY, 2012) : Avec : P 0 la puissance du laser (W), a le diamètre du faisceau, Φ la divergence du faisceau et VLE la Valeur Limite d Expsitin. Cette dernière est calculable à partir de frmules puvant varier seln les lasers. Sur le scanner FARO Fcus 3D, il est pssible de calculer et d afficher cette distance seln les cnditins envirnnantes (intérieur u extérieur, ). Page 10 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

13 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins I.1.4 Les avantages et incnvénients de cette technique I Les avantages Ils snt divers : Rapidité d acquisitin, Précisin du nuage de pints btenu assez bnne (quelques millimètres à partir d une statin), Permet d éviter un ubli d une mesure u autre (état des lieux cmplet d une zne). I Les incnvénients On en retruve quelques-uns mais qui peuvent aisément être réslus : Présence d artefacts, Temps de traitement des nuages de pints parfis lng, Cût appareil + lgiciels + PC adapté à d impsants traitements, Cût de la frmatin. I.2 Géréférencement par cibles Sphères Dans un premier temps, il est pssible d utiliser des cibles de frme sphérique. Ces cibles pssèdent plusieurs tailles, tutes étant cnnues du scanner. Elles pssèdent également un petit supprt circulaire magnétique (en nir sur la pht), facilitant leur psitinnement sur des éléments métalliques. Un autre avantage de ce type de cible demeure en sa capacité de puvir la mesurer de n imprte quel angle (devant, côtés, au-dessus u en-dessus). Pur ces raisns, nus utilisns cette méthde pur l assemblage de ns nuages de pints. Cela représente un gain de temps cnsidérable, ne nécessitant pas l utilisatin de plusieurs trépieds. En revanche, une attentin particulière dit être apprtée aux cibles, par exemple pur éviter que certaines persnnes ne les retirent pur les regarder. (Figure.4 : cibles sphériques, Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 11

14 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins Cibles circulaires cmpsées de deux disques de culeur différente Ici le scanner va mesurer les cibles et déterminer la psitin du centre du disque à partir de la différence de réflectance. Bien que puvant être amvibles sur le supprt (Figure.5 ci-cntre, site Leica), il faut à chaque fis la turner pur réussir à la scanner d une statin à une autre. Figure.5 : Cible circulaire à deux disques Cibles en damier Le principe des cibles en damier est de déterminer le centre de la cible, par intersectins de deux drites, représentées ici (Figure.6, site Leica) par le changement de culeur. Ces cibles nt des prpriétés prches de celles du paragraphe précédent. Figure.6 : Cible à damier Mini-cibles autcllantes (C.LARSON, 2011) Il s agit de mini-cibles frmant un cercle (Figure.7 ci-cntre), adhésives sur une quantité imprtante de matériaux. Elles pssèdent un certain nmbre d avantages, à cmmencer par leur cût très faible en raisn de la durée de vie de la partie adhésive. Leur usage se fait uniquement en cas d utilisatin d un scanner à main, pur lcaliser le rayn laser en cntinu par rapprt aux cibles. Le principal incnvénient cnsiste en l impssibilité de muvements de ces cibles. Figure.7 : Mini-cible adhésive I.3 Quelques lgiciels pur la mdélisatin de nuages de pints La lasergrammétrie étant cnsidérée cmme une innvatin en tpgraphie, de plus en plus de lgiciels snt utilisés pur la mdélisatin d un nuage de pints. On retruve des lgiciels qui snt en général vendus avec le scanner laser 3D. On peut citer par exemple Cyclne de chez Leica u encre Scene de chez Far. Une fis les nuages de pints imprtés, il est pssible d effectuer des assemblages, des nettyages, des maillages et plein d autres ptins à partir d autres lgiciels existants aujurd hui. I.3.1 3DReshaper Dans un premier temps, il est pssible de citer 3DReshaper. Il s agit d un lgiciel payant, mais qui pssède un nmbre de fnctins imprtant. Il cmmence par les cmmandes classiques de traitement de nuages de pints. Il est suvent utilisé pur le nettyage des nuages, dans le but d éliminer les pints n étant pas nécessaires pur les bjets à mdéliser. Page 12 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

15 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins De même, il s agira de prendre en cnsidératin un certain nmbre de pints faux. Ceci est causé principalement par des surfaces transparentes u réfléchissantes, ntamment la pluie u bien des surfaces brillantes, cmme certains métaux neufs. De même, dans le traitement des nuages de pints, il est pssible de fusinner plusieurs nuages, d isler une partie des pints sit en les sélectinnant, sit par l insertin d une frme spécifique. On btient un nuage nettyé des pints inutiles. Ici, la figure.8 représente un résultat btenu brut sur 3DReshaper. Figure.8 : Nuage de pints «Tuyau» sur 3DReshaper Ensuite, n retruve tus les utils de maillage puvant être utilisés. Dans un premier temps, n cmmence par un maillage en tris dimensins (Figure.9 ci-cntre) avec la gestin d un certain nmbre de paramètres, à savir la distance myenne entre les pints, la réductin u nn du bruit, la détectin des trus d une taille dnnée. Il s agit là d un util de maillage autmatique. Il reste malgré tut certaines imperfectins puvant être crrigées par d autres Figure.9 : Maillage issu du nuage précédent fnctins du lgiciel : bucher les trus, lisser les angles secs, éliminer les pics, prcéder à des défrmatins, Le but reste d amélirer au maximum le mdèle numérique mesuré. Ensuite, il est pssible de texturer le mdèle présent en plaquant des phtgraphies sur le maillage. Pur ce faire, il faut déterminer un certain nmbre de pints cmmuns entre les phtgraphies et ntre mdèle maillé, avec des plans différents pur recaler au mieux en tris dimensins. Bien d autres utils snt également dispnibles sur 3DReshaper. On retruve ntamment les mesures de distances entre pints. Un util intéressant, en termes de mesures de défrmatins, cnsiste en l ajut d une primitive simple (plan, sphère, cône, ). À partir de ces mdèles et du nuage de pints, il peut être réalisé des mdèles de défrmatins, représentés par l applicatin de culeurs sur le mdèle chisi, en fnctin de l écart entre le pint et le mdèle. Nus verrns plus en détails les principes de l inspectin dans la trisième partie de ce mémire. Pur cnclure, il s agit d un lgiciel assez cmplet, mais pssédant un cût pur l utilisateur. Il cnvient dnc d avir un minimum de marchés afin de puvir réaliser ce type d pératins. Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 13

16 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins I.3.2 Meshlab Il s agit d un autre lgiciel puvant s avérer utile pur le traitement d un nuage de pints. Meshlab, dévelppé depuis 2005 par l ISTI (Institut di Scienza e Tecnlgie dell Infrmazine) et le CNR (Cnseil Natinal de la Recherche d Italie), est un util gratuit de traitement de nuages de pints de mdèles 3D. Ces fnctins deviennent de plus en plus variées au fur et à mesure des versins du lgiciel. On y retruve des utils de : Sélectin, Traitement de nuages et/u de maillage, Réparatin, Recnstructin, Simplificatin, Échantillnnage, R lage, Clrisatin, Lissage, En utilisant un exemple cncret, au départ nus avins le maillage suivant (Figure.10): Figure.10 : Maillage brut du nuage «Tuyau» sus Meshlab Ce lgiciel se distingue dnc de par sa quantité imprtante de fnctins. Il reprend dans un premier temps les utils de base de tut lgiciel de traitement de nuages de pints issus d un scanner laser 3D, c est-à-dire le nettyage des pints, l assemblage de plusieurs nuages de pints issus de différentes statins, les utils de mesures, À cela s ajutent les nmbreux filtres que l n ne retruve pas dans chaque lgiciel de dessin. Les plus utilisés restent les filtres de recnstructin, de ré-échantillnnage (ajut u suppressin d un certain nmbre de pints à partir du nuage existant) u encre de lissage. Ils permettent d amélirer la qualité du maillage en cas de besin, et d adapter le rendu à la demande effectuée. On retruve dans cette partie un certain nmbre d algrithmes : Triangulatin de Delaunay, Diagramme de Vrnï, Catmull Clark, Recnstructin de Pissn, Page 14 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

17 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins En ce qui cncerne la culeur, plusieurs cas snt pssibles. On peut clrier dans un premier temps en utilisant une fnctin définie, de srte à faire ressrtir un critère particulier. Il est également pssible d utiliser des critères cmme la distance par rapprt à un brd de maillage (permet de lcaliser visuellement les trus), la qualité des faces u des smmets (les mailles étirées aurnt une culeur différente de celles régulières et petites), et plein d autres chix pssibles. De plus, plusieurs types de rendus snt pssibles. On peut aussi bien cnserver la culeur issue du relevé au scanner brut, c est-à-dire en assciant la culeur prvenant de la pht sur chaque pint. Un rendu vierge de tute culeur est également envisageable. Sinn, tute une palette de rendus nt été créés grâce à des shaders (suite d instructins dnnée à l rdinateur, permettant de furnir un aperçu particulier, maillage en verre, mbres, ). Après l applicatin de divers filtres, ntamment buchage de trus, sur-échantillnnage, lissage et mde de rendu, nus btenns un résultat tel que celui qui suit (Figure.11): Figure.11 : Maillage améliré sus Meshlab Bien que pssédant des fnctins variées, rendant ainsi le lgiciel assez cmplet, Meshlab cmprte cependant certains défauts : v L impssibilité de revenir au cntenu précédent après l applicatin d un filtre u de n imprte quelle autre cmmande, v Un manque de fiabilité et de stabilité : en effet, il arrive suvent que le lgiciel ne répnde pas à la suite d une cmmande, u même se ferme de manière frcée, en plus d erreurs de calculs. Un avantage de ce lgiciel cncerne sa cmpatibilité avec un nmbre imprtant de frmats de nuages de pints. On y retruve les frmats : ply, stl, bj, qbj, ff, ptx, vmi, bre, dae, ctm, pts, apts, xyz, gts, pdb, tri, asc, x3d, x3dv u encre wrl. Il reste cependant utilisé aujurd hui en raisn de sa gratuité pur les utilisateurs, facilement téléchargeable sur plusieurs sites, le rendant ainsi très dispnible. Un descriptif plus cmplet décrivant les fnctins de Meshlab figure en Annexe 1 Les lgiciels de la sciété Kubit pssèdent également une bnne place dans le dmaine, la partie 2 apprtant plus de détails sur le sujet. Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 15

18 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins II Recnnaissance de frmes II.1 Préambule Cmme évqué lrs de la précédente partie, n peut affirmer que le prgrès technlgique a pussé au dévelppement du scanner laser 3D. Aujurd hui, cette technique de relevé 3D évlue à une vitesse remarquable en ce qui cncerne l acquisitin de dnnées. En revanche les phases de traitement, bien qu étant nettement plus efficaces au fur et à mesure des années, restent très lurdes à gérer. En effet, de nmbreuses difficultés persistent, depuis la segmentatin jusqu à l applicatin de mdèles CAO sur le nuage de pints. Bien que le nuage cnstitue l élément principal de numérisatin d une scène, il est très suvent suhaitable de mdéliser les éléments, dans le but d btenir un résultat net pur un client. Pur ce faire, il cnvient de suivre le prtcle suivant (T.CHAPERON, 2002): Saisie des dnnées : il s agit du prcessus d acquisitin des pints à partir du scanner laser 3D, Recalage des nuages : cette étape cnsiste à recaler les nuages de pints entre eux, sit en les géréférençant, sit en fixant un premier nuage cmme référence avant de recaler les autres sur le «scan» cnnu, Segmentatin : ici, le but est d isler des prtins du nuage de pints, pur un meilleur traitement par la suite. De cette manière n purra séparer la tuyauterie des escaliers, Mdélisatin : cette étape cnsiste à appliquer un mdèle CAO au nuage de pints. Une fis effectuée, il est aisé d effectuer des plans, cupes, De cette manière, les travaux prévus sernt nettement plus fiables (implantatin d une Figure.12 : Phases de traitement de la mdélisatin nuvelle pièce industrielle, démntage de pièces pur nettyage dans le but de les remnter parfaitement, ). Il s agit d un réel état des lieux des éléments existants sur le terrain. Cette dernière étape, que nus étudierns plus en détails dans cette partie, demeure une phase imprtante pur l établissement de plans à partir d un scanner laser 3D. En effet sur l illustratin cidessus, il semble impssible d insérer une statin en plein milieu de la scène, ne laissant ainsi apparaître qu une partie des éléments que l n suhaite mesurer. Nus allns dnc chercher des slutins existantes, en s attachant en particulier sur le dmaine industriel ainsi que sur les levés en intérieur. Dans cette partie, nus verrns également les pssibilités des lgiciels créés par Kubit, pssédant des capacités très étendues sur le thème de la recnnaissance de frmes. Ce chapitre cnstituera de plus un apprt pur les mdélisatins de défrmatins. Page 16 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013

19 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins II.2 Segmentatin Durant cette étude, j ai essentiellement travaillé sur des chantiers industriels, à savir ntamment la mdélisatin de bacs de stckage d hydrcarbures, mais aussi des prtins de tuyauterie. Dans ce dmaine, il faut retenir que la majeure partie des bjets existants (tubes, cudes, brides, réducteurs, ) peuvent se mdéliser à partir d une décmpsitin en primitives simples, ntamment (Annexe 2): v Ligne, v Plan, v Cercle, v Sphère, v Cylindre, v Cône, v Tre. Cmme évqué dans la première partie cncernant l état de l art, les scanners laser 3D à différence de phase fnt apparaître un bruit plus imprtant en raisn de la prise de mesures en cntinue. On retruve ce cas lrsqu n passe d un bjet à un premier plan à un bjet au plan suivant (Figure.13). Cette illustratin ne cncerne pas la tuyauterie. Figure.13 : Exemple de bruit entre deux plans Le but de la segmentatin cnsiste à isler les parties du nuage nécessaires à la recnnaissance de frmes par la suite. De ce fait, il est également cnseillé d éliminer le bruit aberrant, cmme n peut le cnstater sur la figure ci-dessus. De cette manière, n purra ensuite traiter les éléments à mdéliser avec une meilleure qualité. Deux types de segmentatin peuvent facilement être mis en œuvre : Segmentatin manuelle, Segmentatin semi-autmatique par mdèle CAO préalable. Dans le premier cas, il suffit de supprimer les pints inutiles en créant un plygne à partir d une vue. Ce dernier est éditable sur sa nrmale pur le délimiter en haut et en bas afin de supprimer les pints dans un slide. Pur la deuxième slutin, il cnvient de créer un mdèle CAO au préalable, qui sit assez prche du mdèle réel. Une fis btenu, il suffit d utiliser la cmmande «Séparer avec Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013 Page 17

20 Le scanner laser 3D : recnnaissance de frmes et mdélisatin de défrmatins un bjet» de 3DReshaper, et de spécifier une distance de tlérance du mdèle. Les pints cmpris dans cette tlérance, u au cntraire ceux qui dépassent peuvent être supprimés. Vici le résultat sur un tuyau avec un écart maximal de 3cm (Figure.14) : Figure.14 : Segmentatin par un mdèle CAO II.3 Les algrithmes de recnnaissance de frmes II.3.1 Chix de la primitive Dans un premier temps, le prcessus de mdélisatin passe par le chix de la primitive dans la majeure partie des cas. Bien que certains algrithmes demeurent capables de recnnaître la frme gémétrique du nuage (erreurs pssibles), la plupart des lgiciels de mdélisatin CAO nt besin de cnnaître la base du traitement. Dans mn étude, je m attacherais en grande partie sur le cylindre, travaillant essentiellement sur la tuyauterie, u même les défrmatins de bacs d hydrcarbure. Cnsidérns un tube représentant une prtin rectiligne de tuyauterie. La mdélisatin peut s effectuer à partir de mindres carrés implicites u bien de plusieurs algrithmes : v Prise en cmpte d un premier pint aléatirement, étude sur le visinage (3DReshaper, de Techndigit), v Utilisatin de deux pints, en utilisant leurs nrmales (PintClud, de Kubit). II.3.2 En sélectinnant 1 pint, par étude du visinage (A.BEY, 2011) II Tirage du premier pint Le but de ce paragraphe cnsiste à déterminer le premier pint du nuage servant à représenter le cylindre. Ce dernier est chisi aléatirement. Un prblème persiste cependant dans cette partie : il faut ntamment vérifier que ce pint ne fasse pas partie du bruit. En effet, pur la suite du traitement ce pint sera cnsidéré cmme appartenant au cylindre, il est dnc nécessaire que ce dernier sit bien sélectinné. (A.BEY, 2011) apprte une méthde d échantillnnage repsant sur un test de rejet, par le calcul de la distance du premier pint au mdèle a priri recherché. Le principe est simple : si cette distance est acceptée, le pint est validé, sinn il est rejeté. Cmme (A.BEY, 2011) nus le dit, dans le Page 18 Matthieu DUJARDIN - Mémire ESGT - Juin 2013