FR2519138A1

FR2519138A1 - Three=dimensional digital coordinate gathering system - uses laminar beam laser striking surface points scanned by TV camera to obtain coordinate data from processor

Info

Publication number: FR2519138A1
Application number: FR8124418A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-12-29
Filing date: 1981-12-29
Publication date: 1983-07-01
Also published as: FR2519138B1

Abstract

A laser is used to provide a luminur beam illuminating a time along the surface (11) to be scanned (11). A point (x(n), y(n), j(n)) lies on that line and also lied in the scanning path of a TV camera. The curteium coordinates of that point are determined from the distance (yo) of the camera from the centre of the object, the angle between the axis of the camera and that of the laser (theta) and the angle sustended by the point, camera and object centre. The laser is of the He-Ne type and its power output is adjusted in accordance with the object size. The object is on a turntable driven by a step motor. The data from the camera are electronically processed and entered into a collective memory and the processor is synchronised with the step motor.

Description

PROCEDE EJT APPAREIL AUTOMATIQUE POUR LA NUMEATION D'UNE
SURFACE TRIDIMENSIONNELLE
La présente invention concerne un appareil pour la numérisation
d'une surface tridimensionnelle, c'est--dire pour la détermination des
coordonnées de tous les points de la surface et, plus particulièrement, un
appareil du genre considéré faisant appel a un balayage de la surface
considérée.AUTOMATIC APPARATUS METHOD FOR THE NUMEATION OF A
THREE-DIMENSIONAL SURFACE
The present invention relates to an apparatus for digitization
of a three-dimensional surface, ie for the determination of
coordinates of all points on the surface and, more particularly, a
Apparatus of the kind considered using a surface scan
considered.

L'analyse d'une surface ou d'un volume et sa numerisation auto
matique sont des étapes importantes en conception assistée par ordinateur,
en reconnaissance des formes et en robotique. Les applications de ces
techniques relevent de la mécanique (dessin automatique et améliorations
des pièces, etudes d'assemblages, etc.) de l'architecture et des sciences
et l'environnement (études d'implantations a partir de maquette), de la
robotique industrielle (apprentissage et optimisation de fonctions) ainsi
que de nombreux autres domaines en développement (simulation de vqls pour
ecoles de pilotage, "design industriel, création artistique, orthométrie
médicale et judiciaire, etc.).Analysis of a surface or volume and its self-scanning
are important steps in computer-aided design,
in pattern recognition and robotics. The applications of these
techniques relate to mechanics (automatic drawing and improvements
parts, assembly studies, etc.) of architecture and sciences
and the environment (implementation studies from a model), the
industrial robotics (learning and optimization of functions) and
many other areas under development (simulation of vqls for
flying schools, "industrial design, artistic creation, orthometry
medical and judicial, etc.).

Des appareils automatiques a balayage par laser pour la numérisa
tion des surfaces ont été proposes dans l'art antérieur.Automatic laser scanners for scanning
surfaces have been proposed in the prior art.

Le brevet français 2 129 747 du 17 mars 1972 a décrit un appareil
dans lequel une surface est balayée par lignes successives par un faisceau
laser devie par un dispositif acousto-optique et le faisceau réfléchi ou
diffuse par la surface est focalisée sur une matrice de photodétecteur. On
mesure l'angle du faisceau incident avec une direction de référence et
l'angle du faisceau réfléchi avec cette direction. Connaissant la distance
entre les point de départ du faisceau incident de 1'6metteur et le point
d'arrivee du faisceau réfléchi dans le récepteur, on peut ainsi déterminer
au moyen d'un calculateur les coordonnées du sommet d'un triangle dont on
connaît la base et les angles adjacents.French patent 2 129 747 of March 17, 1972 has described a device
in which a surface is scanned in successive lines by a beam
laser devie by an acousto-optic device and the reflected beam or
diffuse by the surface is focused on a photodetector matrix. We
measures the angle of the incident beam with a reference direction and
the angle of the beam reflected with this direction. Knowing the distance
between the starting point of the incident beam of the transmitter and the point
arrival of the beam reflected in the receiver, it can thus be determined
by means of a calculator the coordinates of the vertex of a triangle of which one
knows the base and the adjacent angles.

Dans une variante du procédé précédent, au lieu de mesurer l'angle
du faisceau incident et l'angle du faisceau émergent par rapport a une - Ùi+ectioh de reference, on determine l'angle du faisceau incident ét le
temps desparcours du faisceau de l'émetteur au récepteur. On calcule alors
un triangle dont on connaît la base, un angle adjacent a la hase et la somme
des deux autres. In a variant of the preceding method, instead of measuring the angle
of the incident beam and the angle of the emergent beam with respect to a reference - Ùi + ectioh, we determine the angle of the incident beam and the
time of the beam of the transmitter to the receiver. We then calculate
a triangle whose base is known, an angle adjacent to the base and the sum
of the two others.

La demande de brevet français publiée N" 2 439 979 du 23 octobre 1978 a décrit un appareil dérivé du précédent. La surface ou l'objet sont illuminés et balayés par un faisceau laser et au lieu de focaliser sur une matrice de photodétecteurs unique, le point illuminé de la surface, on le focalise par deux éléments focaliseurs formant un angle entre eux sur deux matrices de todétecteurs. On déduit des photodétecteurs illumines dans chacune des deux matrices, les coordonnees de ce point illuminé. The published French patent application No. 2,439,979 of 23 October 1978 describes an apparatus derived from the previous one wherein the surface or object is illuminated and scanned by a laser beam and instead of focusing on a single photodetector array, the Illuminated point of the surface, it is focused by two focusing elements forming an angle between them on two matrices of todetectors.We deduce from the illuminated photodetectors in each of the two matrices, the coordinates of this illuminated point.

Dans ces appareils de l'art antérieur, la surface est illuminée par points successifs et le passage du point actuel au point suivant doit reserver un temps suffisant pour permettre le calcul des coordonnées du point actuel. Les méthodes qu'utilisent ces appareils sont lentes (quelques points par seconde) et elles sont plusadaptées au controle de la finition des pièces mécaniques qu'a des analyses de trme de surface. In these apparatuses of the prior art, the surface is illuminated by successive points and the passage from the current point to the next point must reserve a sufficient time to allow the computation of the coordinates of the current point. The methods used by these devices are slow (a few dots per second) and are more suited to the control of the finishing of mechanical parts than to surface analysis.

L'invention permet de connaître automatiquement l'ensemble des coordonnees (x, y, z) des points de la surface d'un objet sans prémarquage de la surface de l'objet, ni relevé manuel des valeurs. The invention makes it possible to automatically know all the coordinates (x, y, z) of the points of the surface of an object without premarking the surface of the object, nor manual record of the values.

Le procedé de l'invention comprend l'éclairage de l'objet par un ou plusieurs faisceaux de géométrie particuliere, l'observation de cet objet par une ou plusieurs caméras de télévision, le traitement du signal vidéo issu de la ou des cameras, au moyen d'un système électronique et enfin le déplacement de l'objet en synchronisme avec le balayage de telévision, soit en rotation soit en translation. The method of the invention comprises illuminating the object with one or more beams of particular geometry, observing this object by one or more television cameras, processing the video signal from the camera (s) at by means of an electronic system and finally the displacement of the object in synchronism with the telescopic scan, either in rotation or in translation.

L'éclairage de l'objet est fait à l'aide d'un laser qui fournit un faisceau plat lamellaire (nappe lumineuse) couvrant toute la hauteur de l'objet. Ce faisceau est fixe. Il rencontre l'objet selon une courbe dans l'espace, cette courbe seule est alumineuse, l'objet étant dans l'obscurite. Une caméra de télévision balaye l'objet, selon une direction fixe. The illumination of the object is done using a laser that provides a lamellar flat beam (light sheet) covering the entire height of the object. This beam is fixed. It meets the object in a curve in space, this curve alone is aluminous, the object being in the darkness. A television camera scans the object in a fixed direction.

La nième ligne de balayage balaye le plan xOz pour z = Zn (dépendant de l'optique utilisée). La courbe lumineuse est rencontrée dans une direction a(n) par rapport à l'axe optique de la caméra. Si l'on connaît la distance yO de la caméra au point O intersection de l'axe de visee de la caméra et du faisceau laser ainsi que l'angle O entre ces deux directions, on deduit aisément des valeurs yO, B et a(n) les coordonnées x(n), y(n), z(n), du point correspondant sur l'objet.

The nth scan line scans the xOz plane for z = Zn (depending on the optics used). The light curve is encountered in a direction a (n) with respect to the optical axis of the camera. If we know the distance yO of the camera at the point O intersection of the axis of aim of the camera and the laser beam and the angle O between these two directions, we easily deduce values yO, B and a ( n) the coordinates x (n), y (n), z (n), of the corresponding point on the object.

L'angle a(n) est lié au temps t(n) d'apparition de l'image de la courbe lumineuse par la loi
tg o(n) = k (n) ou k est une constante, ce qui simplifie les relations 1.The angle a (n) is related to the time t (n) of appearance of the image of the light curve by the law
tg o (n) = k (n) where k is a constant, which simplifies relations 1.

Une image permet ainsi la mesure de plus de 500 valeurs des coordonnées (x, y, z), une valeur par ligne. Pendant le retour de trame, l'objet est déplacé selon deux lois
- une translation si l'objet à analyser est de la forme y = f(x,z), comme par exemple une carte en relief, ou la maquette d'une ville ;
- une rotation autour d'un axe passant par le point 0 si l'objet est un volume dont toutes les faces doivent être connues.An image thus allows the measurement of more than 500 values of the coordinates (x, y, z), one value per line. During the frame return, the object is moved according to two laws
a translation if the object to be analyzed is of the form y = f (x, z), for example a relief map, or the model of a city;
a rotation about an axis passing through the point 0 if the object is a volume of which all the faces must be known.

Il faut 40 ms pour traiter une position. L'analyse selon 100 directions (ou pour 100 positions de l'objet) est possible en 4s si les organes de stockage de l'information (disque, bande, cassette) le permettent
Ces performances sont très supérieures à ce qu'autorisent les systèmes actuellement disponibles.It takes 40 ms to process a position. The analysis according to 100 directions (or for 100 positions of the object) is possible in 4s if the information storage devices (disk, tape, cassette) allow it
These performances are much higher than those currently available systems allow.

L'invention va être maintenant decrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels
- les Figs. la et lb montrent schématiquement les positions géometriques respectives du faisceau laser,-du faisceau de télévision et de l'objet a analyser ;
- les Figs. 2a et 2b representent l'appareil d'analyse et de numérisation d'une surface de l'invention ;
- la Fig. 3 est un diagramme de blocs des circuits électroniques de l'appareil de l'invention ; et
- lesFig. 4 et 5 représentent deux objets illuminés par -le faisceau laser.The invention will now be described in detail in connection with the accompanying drawings in which
- Figs. 1a and 1b show diagrammatically the respective geometric positions of the laser beam, the television beam and the object to be analyzed;
- Figs. 2a and 2b show the apparatus for analyzing and digitizing a surface of the invention;
FIG. 3 is a block diagram of the electronic circuits of the apparatus of the invention; and
- theFig. 4 and 5 show two objects illuminated by the laser beam.

En se référant d'abord à la Fig. 1, on yvoit le laser 10, la caméra de télévision 20 et l'objet 30. Le faisceau de laser est un faisceau lamellaire perpendiculaire au plan de la Fig. 1 et dont la droite 11 représente la trace dans le plan de la Fig. 1. Le point N de coordonnees x(n), y(n), z(n) fait partie de la ligne de l'objet éclairée par le laser et également de la ligne de l'objet balayée par la caméra.Du fait -de la- di-sance y0 de la caméra au centre 0 de l'objet ainsi que des angles a(n) et es on en déduit par les formules (1) les coordonnées x(n), y(n) et z(n). Referring first to FIG. 1, there is shown the laser 10, the television camera 20 and the object 30. The laser beam is a lamellar beam perpendicular to the plane of FIG. 1 and whose line 11 represents the trace in the plane of FIG. 1. The point N of coordinates x (n), y (n), z (n) is part of the line of the object illuminated by the laser and also of the line of the object swept by the camera. the y0 of the camera at the center 0 of the object as well as the angles a (n) and from the formulas (1) the coordinates x (n), y (n) and z (not).

Le laser 10 (Figs. 2a et 2b) est du type HeNe et sa puissance dépend de la taille des objets à analyser. Pour des objets dont la plus grande dimension est de l'ordre de 30 cm, 2 nM suffisent. 12 est un sys tème afocal muni d'un filtre spatial et 13 est une lentille cylindrique dont la focale depend de la taille de l'objet. Elle possède une faible ouverture numérique et fournit un faisceau en nappe focalisé sur la surface moyenne de l'objet. Le plan axial du faisceau contient l'axe Oz. The laser 10 (Figs 2a and 2b) is of the HeNe type and its power depends on the size of the objects to be analyzed. For objects whose largest dimension is of the order of 30 cm, 2 nM suffice. 12 is an afocal system equipped with a spatial filter and 13 is a cylindrical lens whose focal length depends on the size of the object. It has a small numerical aperture and provides a focused web beam on the average surface of the object. The axial plane of the beam contains the Oz axis.

L'objet 30 est placé sur une platine 31 entraînée dans un mouvement de rotation (Fig. 2a) ou de translation (Fig. 2b) par un moteur pas-a-pas 32. The object 30 is placed on a plate 31 driven in a rotational movement (FIG 2a) or translation (FIG 2b) by a stepping motor 32.

La caméra 20 est de préférence une camera à cible rapide (plumbicon). Son signal est traité par une unité électronique de traitement 40 dont les résultats sont transmis à une memoire de masse 41. The camera 20 is preferably a fast-target camera (plumbicon). Its signal is processed by an electronic processing unit 40 whose results are transmitted to a mass memory 41.

Une unité de synchronisation 42 assure le déclenchement du moteur pas- -pas 32 et de l'unité de traitement 40. A synchronization unit 42 triggers the step motor 32 and the processing unit 40.

L'unite de traitement 40 comprend quatre sous-ensembles (Fig. 3)
- le dispositif de binarisation du signal vidéo 401 ;
- le dispositif de décision 402 ;
- un interpolateur 403 ;
- un calculateur 404.The processing unit 40 comprises four subassemblies (Fig. 3)
the device for binarizing the video signal 401;
the decision device 402;
an interpolator 403;
a calculator 404.

Le dispositif de binarisation 401 reçoit le signal video issu de la caméra 20. Celui:ci (sous forme analogique) est numérisé sur 2 niveaux au moyen d'un montage discriminateur (par exemple par un declencheur a seuil). The binarization device 401 receives the video signal from the camera 20. The latter (in analog form) is digitized on two levels by means of a discriminator circuit (for example by a threshold trigger).

Le dispositif de décision 402 échantillonne la sortie du dispositif de binarisation au rythme de l'horloge fournie par la base de temps et détecte les transitions blanc/noir et contrôle le fonctionnement de l'interpolateur. The decision device 402 samples the output of the binarization device at the rate of the clock provided by the time base and detects the white / black transitions and controls the operation of the interpolator.

L'interpolateur 403 est constitué de trois compteurs numériques chargés de fournir
- le numéro dans l'image de la ligne courante (z)
- la position du milieu de la zone claire (x)
- la largeur de la zone claire (Ex)
Il reçoit du générateur de synchronisation des signaux "horloge point", "horloge ligne" et "horloge trame" et du dispositif de decision le signal "zone claire".The interpolator 403 consists of three digital counters charged with providing
- the number in the image of the current line (z)
- the middle position of the light zone (x)
- the width of the light zone (Ex)
It receives from the synchronization generator signals "clock point", "line clock" and "frame clock" and the decision device signal "clear area".

Le compteur (z) est initialisé au début de chaque trame par le signal "horloge trame" ( 0 pour les trames paires, à 1 pour les trames impaires). Il est incrémenté de 2 unités par le signal "horloge ligne" a la fin de chaque ligne. Le compteur (x) est initialise à O au debut de chaque ligne par le signal "horloge-ligne" puis il est íncremente de 1 unité par chaque impulsion du signal "horloge point" jusqu'au moment ou le signal "zone claire" indique la détection du début de la zone claire. The counter (z) is initialized at the beginning of each frame by the signal "frame clock" (0 for even frames, 1 for odd fields). It is incremented by 2 units by the signal "line clock" at the end of each line. The counter (x) is initialized at 0 at the beginning of each line by the signal "clock-line" then it is incremented by 1 unit for each pulse of the signal "clock point" until the signal "clear zone" indicates the detection of the beginning of the clear zone.

A partir de cet instant, le compteur n'est plus incrémenté que toutes les 2 impulsions du signal "horloge point" jusqu' la détection de la fin de la zone claire. L'état du compteur à cet instant est conserve jusqu'à la fin de la ligne.From this moment, the counter is incremented only every 2 pulses of the "clock point" signal until the detection of the end of the light zone. The state of the counter at this time is kept until the end of the line.

Le compteur (aux) est mis a zéro simultanément au compteur (x). The counter (aux) is zeroed simultaneously to the counter (x).

Il n'est incrementé par les impulsions du signal "horloge point" que pendant la detection de présence d'une zone claire. Le calculateur 404 reçoit les informations des 3 compteurs (z), (x) et (Ax) avec lesquelles il calcule les coordonnees tri-dimensionnelles du point clair de la ligne courante et cela à la fin de chaque ligne Il stocke ces coordonnées dans la mémoire de masse. Il est constitué d'un micro-processeur classique de 8 bits.It is incremented by the pulses of the "clock point" signal only during the presence detection of a light zone. The computer 404 receives the information from the three counters (z), (x) and (Ax) with which it calculates the three-dimensional coordinates of the bright point of the current line and that at the end of each line It stores these coordinates in the mass memory. It consists of a conventional 8-bit microprocessor.

L'unité de synchronisation 42 se subdivise en 2 éléments fonctionnels :
- la base de temps 421 ;
- le genérateur de synchronisation 422.The synchronization unit 42 is subdivided into 2 functional elements:
the time base 421;
the synchronization generator 422.

La base de temps 421 est constituez d'un oscillateur piloté par un cristal de quartz qui génère le signal "horloge point". La fréquence de ce signal détermine la resolution horizontale de l'interpolateur 403. Timebase 421 is an oscillator driven by a quartz crystal that generates the "clock point" signal. The frequency of this signal determines the horizontal resolution of the interpolator 403.

Par l'utilisation d'un diviseur numérique de fréquence, on fabrique les signaux "horloge ligne" et "horloge trame" utilisés par le dispositif de synchronisation 422.By the use of a digital frequency divider, the "line clock" and "frame clock" signals used by the synchronization device 422 are produced.

Le générateur de synchronisation 422 utilise les signaux "horloge ligne" et "horloge trame" fournis par la base de temps 421 pour générer le signal d'asservissement du balayage de la caméra 20. Il génere les impulsions de commande du déplacement du moteur pas-a-pas 32 qui interviennent à la fin de chaque trame paire. Il initialise l'interpolateur 403 au début de chaque ligne et provoque à la fin de la ligne la mémorisation par le calculateur de la valeur calculée par l'interpolateur. The synchronization generator 422 uses the "line clock" and "field clock" signals provided by the time base 421 to generate the servocontrol signal of the camera 20 scan. It generates the control pulses of the displacement of the motor. 32 do not intervene at the end of each even frame. It initializes the interpolator 403 at the beginning of each line and causes at the end of the line the storage by the computer of the value calculated by the interpolator.

L'invention couvre la possibilité d'utiliser plusieurs faisceaux laser d'orientation différentes, ainsi que plusieurs caméras donnant plusieurs angles de vue. En effet, si l'angle O est grand, la mesure obtenue de x et y sera précise (grande base stéréoscopique), mais des parties éclairées par le laser pourront être masquées par des protubérances de l'objet. Au contraire, un angle O faible nous assure que toutes les parties seront vues, mais conduit à une faible precision de mesure Le choix de deux caméras d'observation d'un même faisceau laser, ou de deux faisceaux lasers vus par une seule caméra permet de combiner les avantages d'une grande et d'une petite base stéréoscopique sans allonger la durée d'analyse. The invention covers the possibility of using several laser beams of different orientation, as well as several cameras giving several angles of view. Indeed, if the angle O is large, the measurement obtained from x and y will be precise (large stereoscopic base), but parts lit by the laser can be masked by protuberances of the object. On the contrary, a low angle O ensures that all the parts will be seen, but leads to a low precision of the measurement The choice of two cameras of observation of the same laser beam, or of two laser beams seen by a single camera allows to combine the advantages of a large and a small stereoscopic base without lengthening the duration of analysis.

La complexité du système est à peine accrue au niveau de l'électronique de mesure par duplication des circuits de décision.The complexity of the system is hardly increased at the level of the measurement electronics by duplication of the decision circuits.

Sur les Figs. 4 et 5, on a représenté deux bustes qui peuvent être placés sur la platine 14. On voit sur ces deux bustes, la ligne illuminée par le faisceau laser lamellaire. Cette ligne est marquée 50 sur les Figs. In Figs. 4 and 5, there are two busts that can be placed on the plate 14. We see on these two busts, the line illuminated by the lamellar laser beam. This line is marked 50 in Figs.

4 et 5. 4 and 5.

Claims

Revendicationsclaims

1 - Procédé automatique pour la numérisation de la surface d'un objet par determination des trois coordonnées de tous les points de cette surface consistant à placer l'objet sur des moyens de translation ou de rotation dudit objet, a illuminer simultanément un ensemble de points de l'objet et a balayer l'objet illuminé par une caméra de télé- vision, caractérise en ce que les point simultanément illuminés le sont par un faisceau laser plan lamellaire et forment une courbe plane sur l'objet. 1 - Automatic method for digitizing the surface of an object by determining the three coordinates of all the points of this surface of placing the object on translational or rotational means of said object, to simultaneously illuminate a set of points of the object and scanning the object illuminated by a television camera, characterized in that the simultaneously illuminated points are by a lamellar plane laser beam and form a plane curve on the object.

2 - Appareil automatique pour la numérisation de la surface d'un objet, comprenant des moyens de deplacer l'objet pas-a-pas en rotation ou en translation, des moyens laser (10) d'illuminer simultanément un ensemble de points de l'objet, et une caméra de télévision (20).pour balayer l'objet illumine, caractérisé en ce que.le laser est un laser à faisceau lamellaire illuminant une ligne plane de..l'objet et que des moyens sont prevus pour déplacer l'objet d'un pas pendant le retour de trame de la caméra. An automatic apparatus for scanning the surface of an object, comprising means for moving the object step-by-step in rotation or translation, laser means (10) for simultaneously illuminating a set of points of the object. object, and a television camera (20) for scanning the illuminated object, characterized in that the laser is a lamellar beam laser illuminating a plane line of the object and means are provided for moving the object of a step during the frame return of the camera.

3 - Appareil automatique conforme a la revendication 2, caracterise en ce qu'il comprend un calculateur permettant de calculer les coordonnées x(n), y(n), z(n) du point oA la nième ligne de balayage de la caméra croise la ligne.plane d'illumination par les formules ci-après où yO est la distance entre l'objectif de la camera et le point oû l'axe optiquede la caméra coupe le faisceau laser lamellaire et O est l'angle entre l'axe de la caméra et l'axe du faisceau laser lamellaire.: : 3 - Automatic apparatus according to claim 2, characterized in that it comprises a calculator for calculating the coordinates x (n), y (n), z (n) of the point oA the nth scan line of the camera crosses the illumination line.plane by the following formulas where y0 is the distance between the objective of the camera and the point where the optic axis of the camera intersects the lamellar laser beam and O is the angle between the axis of the camera and the axis of the lamellar laser beam .:

<tb> y(n) <SEP> = <SEP> yo <SEP> tg <SEP> α(n) <SEP> <SEP> (1)<tb> y (n) <SEP> = <SEP> yo <SEP> tg <SEP> α (n) <SEP> <SEP> (1)

<tb> <SEP> tg <SEP> α(n) <SEP> + <SEP> tg# <tb> <SEP> tg <SEP> α (n) <SEP> + <SEP> tg #