Technologies clés de détection 3D expliquées

Notre article précédent intitulé « Systèmes de vision 3D — lequel est fait pour vous ? » couvrait les paramètres les plus importants des systèmes de vision 3D, et quels sont les compromis quand certains paramètres sont plutôt élevés. Les paramètres discutés incluaient le volume de numérisation, temps d'acquisition et traitement des données, résolution, précision, robustesse, design & connectivité, et le ratio prix/performance.

Chacun de ces paramètres joue son rôle dans des applications spécifiques — où un paramètre est clé, un autre peut être mineur et vice versa. 

Nous nous référons à ces paramètres pour une meilleure comparaison des technologies individuelles derrière les systèmes de vision 3D et les possibilités qu'elles offrent.

Technologies de détection 3D

Les technologies alimentant les systèmes de vision 3D peuvent être divisées en deux grands groupes. L'une utilise le principe du temps de vol et l'autre le principe de triangulation :

A. Temps de vol (Time-of-flight)

• Balayage de zone (Area scan)
• LiDAR

B. Méthodes basées sur la triangulation

• Triangulation laser (ou profilométrie)
• Photogrammétrie 
• Vision stéréo (passive et active) 
• Lumière structurée (une image, images multiples)
• La nouvelle technologie « lumière structurée parallèle » 

Cet article discutera les différences de base entre ces techniques. Ensuite, il se concentrera sur un aspect majeur avec lequel elles luttent toutes, aucune ne pouvant le traiter satisfaisamment — sauf une. Cet aspect est la capture de données de haute qualité de scènes en mouvement. Il existe une seule technologie novatrice qui permet le balayage de zone instantané d'objets en mouvement rapide à haute qualité, éliminant ainsi le besoin de compromettre entre qualité et vitesse. Cette méthode est couverte à la fin de cet article. Mais procédons étape par étape.

Temps de vol (ToF)

Les systèmes ToF sont basés sur la mesure du temps pendant lequel un signal lumineux émis de la source frappe l'objet scanné et revient au capteur. Bien que la vitesse de numérisation soit relativement élevée, la limitation est la vitesse de la lumière elle-même. Même une petite erreur dans le calcul du moment d'incidence de la lumière peut entraîner une erreur de mesure allant de millimètres à centimètres. Une autre limitation est que ces capteurs fournissent une résolution relativement faible.

Il existe deux techniques distinctes utilisant l'approche ToF — LiDAR et détection de zone.

LiDAR

Les systèmes LiDAR échantillonnent un (ou quelques) points 3D à la fois. Pendant le scan, ils changent la position ou l'orientation du capteur pour scanner tout le volume de fonctionnement.

Détection de zone ToF

Les systèmes ToF basés sur la détection de zone utilisent un capteur d'image spécial pour mesurer le temps pour de multiples mesures dans un instantané 2D. Ils n'offrent pas une telle qualité de données que les systèmes LiDAR mais ils conviennent bien aux applications dynamiques qui se contentent d'une faible résolution. Un inconvénient particulier de cette méthode sont les inter-réflexions entre les parties de la scène, qui peuvent causer de fausses mesures. 

Les systèmes ToF sont plutôt populaires grâce au prix attractif des dispositifs grand public conçus principalement pour l'interaction homme-machine.

Méthodes basées sur la triangulation

Les systèmes basés sur la triangulation observent les scènes sous deux perspectives, formant une base. La base et le point inspecté forment un triangle — en mesurant les angles de ce triangle, nous pouvons calculer les coordonnées 3D exactes. La longueur de la base et la précision de la récupération des angles affectent fortement la précision d'un système.

Triangulation laser = Profilométrie

La triangulation laser est l'une des méthodes de détection 3D les plus populaires. Elle projette une bande étroite de lumière (ou un point) sur une surface 3D, ce qui produit une ligne d'illumination qui apparaîtra déformée sous un angle autre que celui du projecteur. Cette déviation encode l'information de profondeur. 

Comme elle capture un profil à la fois, soit le capteur, soit l'objet doit bouger, ou le profil laser doit balayer la scène, pour faire un instantané complet.

Pour reconstruire la profondeur d'un seul profil, cette méthode nécessite la capture d'une image de balayage de zone étroite, dont la taille limite le taux de rafraîchissement et par conséquent aussi la vitesse de numérisation. De plus, le calcul de profondeur peut devenir plutôt compliqué car il repose sur la recherche de maxima d'intensité dans les images 2D capturées, ce qui est en soi un problème complexe.

Photogrammétrie

La photogrammétrie est une technique qui calcule la reconstruction 3D d'un objet à partir d'un grand nombre d'images 2D non enregistrées. Similaire à la vision stéréo, elle repose sur la texture de l'objet mais peut bénéficier de multiples échantillons du même point avec une grande base. La photogrammétrie peut être utilisée comme alternative aux systèmes LiDAR.

Vision stéréo

La vision stéréo est basée sur le calcul du triangle : caméra — objet scanné — caméra, imitant la perception de profondeur humaine. 

La vision stéréo standard cherche des corrélations entre deux images (elles doivent avoir une texture/détails identiques) et, basé sur la disparité, identifie la distance (profondeur) depuis l'objet. À cause de cette dépendance au matériau de l'objet, la vision stéréo 3D passive est utilisée pour des applications qui ne mesurent rien, comme le comptage de personnes. 

Pour compenser cet inconvénient, un système de vision stéréo active a été développé. Cette méthode projette un motif lumineux sur la surface pour créer une texture artificielle sur la surface et des correspondances dans la scène. Cependant, l'identification des correspondances et la mesure d'un seul point de profondeur requièrent plusieurs pixels voisins, ce qui résulte en un faible nombre de points mesurés avec une robustesse généralement plus faible. 

Le calcul de profondeur est basé sur une analyse des correspondances entre la paire d'images stéréo, la complexité de laquelle augmente avec la taille de la fenêtre de correspondance et la gamme de profondeur. Pour respecter des exigences strictes de temps de traitement, la qualité de reconstruction est souvent compromise, ce qui rend la méthode insuffisante pour certaines applications.

Lumière structurée

Une autre méthode appartenant aussi aux approches par triangulation illumine l'objet scanné avec une lumière dite structurée. Le triangle s'étend entre un projecteur, l'objet scanné, et une caméra. Comme cette méthode permet de capturer l'instantané 3D complet d'une scène sans avoir à déplacer de pièces, la technologie de lumière structurée fournit un niveau élevé de performance et flexibilité. 

Des techniques de projection sophistiquées sont utilisées pour créer un motif structuré codé qui encode l'information 3D directement dans la scène. Cette information est ensuite analysée par la caméra et les algorithmes internes, fournissant un niveau élevé de précision et résolution. 

Les systèmes de lumière structurée à plus haute résolution disponibles sur le marché utilisent plusieurs images de la scène, chacune avec un motif structuré projeté différent. Cela assure une information 3D par pixel de haute précision mais exige une scène statique au moment de l'acquisition. 

L'un des plus grands inconvénients des approches par projection est la profondeur de champ (ou gamme de profondeur). Pour garder le projecteur au point, le système a besoin d'une ouverture étroite. Ce n'est pas optiquement efficace, car la lumière bloquée crée de la chaleur supplémentaire et des réflexions internes dans le système de projection. Cela limite l'utilisation de cette technologie pour des gammes de profondeur plus élevées. 

Photoneo a résolu ce problème avec un laser qui crée des motifs structurés. Les systèmes Photoneo offrent une gamme de profondeur presque illimitée, et aussi la possibilité d'utiliser des filtres passe-bande étroits pour bloquer la lumière ambiante.

Pour une application en mouvement, une approche à une image doit être utilisée. Une technique conventionnelle consiste à encoder les caractéristiques distinctives des systèmes multi-images dans un motif structuré unique, avec un fort impact sur la résolution XY et Z. Similaire aux systèmes ToF, il existe des produits grand public dans cette catégorie.

Lumière structurée parallèle

Il n'existe qu'une seule méthode capable de surmonter les limitations du scan de scènes en mouvement.

La nouvelle technologie brevetée nommée Lumière structurée parallèle a été développée par Photoneo et permet la capture d'objets en mouvement à haute qualité. La méthode utilise la lumière structurée en combinaison avec un capteur d'image CMOS à obturateur mosaïque propriétaire. 

Alors que la méthode de lumière structurée capture les motifs codés du projecteur séquentiellement, la technologie Lumière structurée parallèle capture plusieurs images de lumière structurée en parallèle — c'est le facteur changeant la donne . Comme l'acquisition d'image d'une surface 3D nécessite plusieurs images, le résultat du scan d'un objet en mouvement avec la méthode de lumière structurée serait déformé. La technologie Lumière structurée parallèle capture une scène dynamique en reconstruisant son image 3D à partir d'un seul cliché du capteur.

Le capteur spécial consiste en blocs de super-pixels subdivisés en sous-pixels. Le laser provenant du projecteur de lumière structurée reste allumé en permanence, tandis que les expositions des pixels individuels sont allumées et éteintes de manière codée. Ainsi, il y a une projection et une image capturée — mais cette image contient plusieurs sous-images, chacune virtuellement illuminée par un motif lumineux différent. 

Le résultat est très similaire à celui de multiples images dans le temps, avec la différence que cette nouvelle méthode les acquiert simultanément = c'est pourquoi « Lumière structurée parallèle ». Un autre avantage de cette technique est la possibilité de basculer le capteur en mode séquentiel et d'obtenir une résolution complète de 2MP avec une qualité métrologique.

La technologie Lumière structurée parallèle offre ainsi la haute résolution des systèmes de lumière structurée multi-images et l'acquisition rapide à une image des systèmes ToF. 

Photoneo a implémenté cette technologie dans sa caméra 3D MotionCam-3D, développant ainsi la caméra 3D à balayage de zone avec la plus haute résolution et précision capable de capturer des objets en mouvement.

Conclusion

Cet article a présenté une pluralité de méthodes de vision 3D et expliqué leurs avantages et points faibles spécifiques. La plupart des méthodes 3D de pointe font un compromis entre qualité et vitesse, soit à cause d'un processus d'acquisition exigeant, soit d'un traitement de données complexe. La seule technologie qui offre à la fois qualité et vitesse simultanément est la Lumière structurée parallèle basée sur le capteur CMOS original de Photoneo. Cette nouvelle méthode élargit la gamme d'applications possibles et permet l'automatisation là où elle n'était pas possible auparavant.