Numérisation 3D de surfaces métalliques spéculaires par imagerie infrarouge

3 D digitization of specular metallic surfaces by means of infrared imaging

• Auteur / Autrice : Alban Bajard
• Direction : Frédéric Truchetet, Olivier Aubreton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et informatique de l'image
• Date : Soutenance le 20/11/2012
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Electronique, Informatique et Image (LE2i) (Dijon, Côte d'Or ; Auxerre, Yonne ; Chalon-sur-Saône, Saône-et-Loire ; Le Creusot, Saône-et-Loire ; 1996-2018)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Autrique
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moulay Akhloufi, Pierre Sallamand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ernest Hirsch, Jean-José Orteu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Propriétés thermiques

Métaux

Transfert de chaleur

Rayonnement infrarouge -- Applications industrielles

Applications industrielles

Numérisation

Mots clés libres

Numérisation 3D

Infrarouge

Transferts thermiques

Surfaces spéculaires

Rugosité

3D digitization

Infrared

Heat transfer

Specular surfaces

Roughness

Résumé

Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l’acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l’encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d’acquisition 3D, qui repose sur l’acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d’aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l’extension d’une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée « Scanning from Heating ». Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l’émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d’une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d’un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d’un panel d’échantillons de géométries identiques mais d’états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d’acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d’apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial

For the past twenty years, the need for three-dimensional digitization of manufactured objects has increased significantly and consequently, many experimental techniques and commercial solutions have been proposed. However, difficulties remain for the acquisition of optically non cooperative surfaces, such as transparent or specular ones. Since the working principle of conventional scanners is based on the acquisition of the diffuse part of the reflection, transparency and specular reflections may cause outliers. To address highly reflective metallic surfaces, we propose the extension of a non conventional technique that was originally dedicated to glass objects, called “Scanning from Heating”. In contrast to classical active triangulation techniques that acquire the reflection of visible light, we measure the thermal emission of the heated surface. A laser source is geometrically calibrated with a thermal sensor to extract a cloud of 3D points from infrared images. Considering the thermo-physical properties of metals, we present a theoretical model of heat exchanges that are induced by the process, helping to demonstrate its feasibility on metallic materials. With a finite element analysis solver, results give some important indications about the conception and the settings of the experimental solution. A first device has been designed in order to validate the 3D digitization process on specular surfaces, with various geometries and compositions. Furthermore, a comparison of our results with those of a conventional system shows the versatility of our technique. Actually, from metallic samples with the same dimensions but various surface states, we prove that the accuracy of the 3D acquisition is not affected by the surface roughness variations. Finally, according to some practical observations, a 3D scanner prototype has been designed to improve the efficiency of the first system