Architecture matérielle pour la reconstruction temps réel d'images par focalisation en tout point (FTP)

par Mickaël Njiki

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Samir Bouaziz.


  • Résumé

    Le contrôle non destructif (CND) a pour but de détecter et de caractériser d’éventuels défauts présents dans des pièces mécaniques. Les techniques ultrasonores actuelles utilisent des capteurs multiéléments associés à des chaînes d’instrumentations et d’acquisitions de données multi capteurs en parallèles. Compte tenu de la masse de données à traiter, l’analyse de ces dernières est généralement effectuée hors ligne. Des travaux en cours, au Commissariat à l’Energie Atomique (CEA), consistent à développer et évaluer différentes méthodes d’imageries avancées, basées sur la focalisation synthétique. Les algorithmes de calculs induits nécessitent d’importantes opérations itératives sur un grand volume de données, issues d’acquisition multiéléments. Ceci implique des temps de calculs important, imposant un traitement en différé. Les contraintes industrielles de caractérisation de pièces mécaniques in situ imposent de réaliser la reconstruction d’images lors de la mesure et en temps réel. Ceci implique d’embarquer dans l’appareil de mesure, toute l’architecture de calcul sur les données acquises des capteurs. Le travail de thèse a donc consisté à étudier une famille d’algorithmes de focalisation synthétique pour une implantation temps réel sur un instrument de mesure permettant de réaliser l’acquisition de données. Nous avons également étudié une architecture dédiée à la reconstruction d’images par la méthode de Focalisation en Tout Point (FTP). Ce travail a été réalisé dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe ACCIS de l’institut d’Electronique Fondamentale, Université de Paris Sud. Pour ce faire, notre démarche s’est inspirée de la thématique de recherche d’Adéquation Algorithme Architecture (A3). Notre méthodologie, est basée sur une approche expérimentale consistant dans un premier temps en une décomposition de l’algorithme étudié en un ensemble de blocs fonctionnels (calculs/transferts). Cela nous a permis de réaliser l’extraction des blocs pertinents de calculs à paralléliser et qui ont une incidence majeure sur les temps de traitement. Nous avons orienté notre stratégie de développement vers une conception flot de donnée. Ce type de modélisation permet de favoriser les flux de données et de réduire les flux de contrôles au sein de l’architecture matérielle. Cette dernière repose sur une plateforme multi-FPGA. La conception et l’évaluation de telles architectures ne peuvent se faire sans la mise en place d’outils logiciels d’aide à la validation tout au long du processus de la conception à l’implantation. Ces outils faisant partie intégrante de notre méthodologie. Les modèles architecturaux des briques de calculs ont été validés au niveau fonctionnel puis expérimental, grâce à la chaîne d’outils développée. Cela inclus un environnement de simulation nous permettant de valider sur tables les briques partielles de calculs ainsi que le contrôle associé. Enfin, cela a nécessité la conception d’outils de génération automatique de vecteurs de tests, à partir de données de synthèses (issues de l’outil simulation CIVA développé par le CEA) et de données expérimentales (à partir de l’appareil d’acquisition de la société M2M-NDT). Enfin, l’architecture développée au cours de ce travail de thèse permet la reconstruction d’images d’une résolution de 128x128 pixels, à plus de 10 images/sec. Ceci est suffisant pour le diagnostic de pièces mécaniques en temps réel. L’augmentation du nombre d’éléments capteurs ultrasonores (128 éléments) permet des configurations topologiques plus évoluées (sous forme d’une matrice 2D), ouvrant ainsi des perspectives vers la reconstruction 3D (d’un volume d’une pièce). Ce travail s’est soldé par une mise en œuvre validée sur l’instrument de mesure développé par la société M2M-NDT.

  • Titre traduit

    Hardware architecture for real-time imaging towards Total Focusing Method (TFM )


  • Résumé

    Non-destructive Evaluation (NDE) regroups a set of methods used to detect and characterize potential defects in mechanical parts. Current techniques uses ultrasonic phased array sensors associated with instrumentation channels and multi-sensor data acquisition in parallel. Given the amount of data to be processed, the analysis of the latter is usually done offline. Ongoing work at the French “Commissariat à l’Energie Atomique” (CEA), consist to develop and evaluate different methods of advanced imaging based on synthetic focusing. The Algorithms induced require extensive iterative operations on a large volume of data from phased array acquisition. This involves important time for calculations and implies offline processing. However, the industrial constraint requires performing image reconstruction in real time. This involves the implementation in the measuring device, the entire computing architecture on acquired sensor data. The thesis has been to study a synthetic focusing algorithm for a real-time implementation in a measuring instrument used to perform ultrasonic data acquisition. We especially studied an image reconstruction algorithm called Total Focusing Method (TFM). This work was conducted as part of collaboration with the French Institute of Fundamental Electronics Institute team of the University of Paris Sud. To do this, our approach is inspired by research theme called Algorithm Architecture Adequation (A3). Our methodology is based on an experimental approach in the first instance by a decomposition of the studied algorithm as a set of functional blocks. This allowed us to perform the extraction of the relevant blocks to parallelize computations that have a major impact on the processing time. We focused our development strategy to design a stream of data. This type of modeling can facilitate the flow of data and reduce the flow of control within the hardware architecture. This is based on a multi- FPGA platform. The design and evaluation of such architectures cannot be done without the introduction of software tools to aid in the validation throughout the process from design to implementation. These tools are an integral part of our methodology. Architectural models bricks calculations were validated functional and experimental level, thanks to the tool chain developed. This includes a simulation environment allows us to validate partial calculation blocks and the control associated. Finally, it required the design of tools for automatic generation of test vectors, from data summaries (from CIVA simulation tool developed by CEA) and experimental data (from the device to acquisition of M2M –NDT society). Finally, the architecture developed in this work allows the reconstruction of images with a resolution of 128x128 pixels at more than 10 frames / sec. This is sufficient for the diagnosis of mechanical parts in real time. The increase of ultrasonic sensor elements (128 elements) allows more advanced topological configurations (as a 2D matrix) and providing opportunities to 3D reconstruction (volume of a room). This work has resulted in implementation of validated measurement instrument developed by M2M -NDT.


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