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Procédé de mesure dimensionnelle à haute vitesse et haute précision par caméra ä reseau photosensible. Cette invention a pour objet un procédé de mesure de dimensions ä haute vitesse et à haute précision, utilisant une caméra ä r6seau photosensible.
En particulier, cette invention concerne un procédé permettant l'analyse et la localisation des contours d'une image d'un
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--obe-reproduite sur-l-e-d-elece-u-r-a-rs-eat-photosensible par- un éclairage adequaat.
On a déjà constaté, que la précision de la mesure dimensionnelle par caméra est limitée par le flou, qui affecte le contour de l'image de l'objet. L'existence d'une zone de flou, dont la largeur dépend à 1a fois de l'éclairage, des caractéristiques et de la mise au point de-l'optique, crée en effet une indétermination sur la localisation des bords de l'image.
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Un-procd-cvnTTu-p-our--lever-ett-indeternrjrnatiron ecnrs. st"ä détecter les points de passage du signal vidéo, fourni par la camera,-pa-un-s euL de ten s ion determinee-I'-irneav-enent-de- ce procédé est que les résultants ainsi obtenus sont fortement affectés par les conditions d'éclairage et de localisation et par les aberrations de l'optique de la caméra.
Un autre procédé consiste en un traitement purement analogique du signal vidéo par double dérivation analogique et détection du passage par zéro.
Un inconvenient de ce procédé est qu'il implique des opérations analogiques (double dérivée et détection du passage par zéro), qui sont fort sensibles au bruit électrique inévitablement présent dans les signaux vidéo. et aux dérives des circuits électroniques réalisant 1es opérations
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analogiques na oga Un autre inconvénient de ce procédé connu est qu'en utilisant une caméra ä réseau photosensible, la granularité du signal vidéo.
due à la succession de paliers correspondant aux différents éléments d'images, doit être éliminée par un filtre passe-bas, ce qui entraîne une perte d'information sur la forme des flancs du signal et donc sur la détermination des contours de l'image. Cette perte d'information est d'autant
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--plusgrande que le-flanc-esl :-raide-cest-a-d-irre-que l'Image - -- --- est intrinsèquement bonne.
L'invention a pour but un procédé supprimant les susdits inconvénients, ce procédé réalisant un traitement digital du signal vidéo, en temp8 réel, ce qui permet d'obtenir des informations précises et rapides sur les caractéristiques des pièces ä mesurer, sans dégradation du contenu d'information du signal vidéo.
La présente invention concerne un procédé de mesure de dimensions sans contacts, dont les avantages sont de permettre une grande précision, un débit de mesure élevé et une grande flexibilité.
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A cette fin, le procédé selon l'invention consiste --s-u-b-s t a n-t-i ellem e n t ä-c h a n trjl < Me r-et-n-mei sr-l e s Lga a l v i d eo- ä une cadence égale à la fréquence d'horloge de la caméra ; ä effectuer sur les valeurs numeriques obtenues le calcul des différences du premier et du second ordre et ä détecter le changement de signe parmi les valeurs successives des différences du second ordre.
Pour plus de carte, des exemples de réalisation du procédé selon l'invention sont décrits ci-après, à titre illustratif
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gt noTi rstnrcir-avec-rfeTrence aux dee-ms-amrees,-da n s L d-n- lesquels la figure 1 représente le principe de la mesure de dimensions selon l'invention ; la figure 2 représente un signal vidéo fourni, suivant le principe de la mesure, par une caméra ; la figure 3 montre un réseau matriciel ; la figure 4 illustre un dispositif de mesure utilisant un réseau linéaire ; la figure 5 représente le calcul des différences premières et secondes ; la figure 6 illustre le principe d'interpolation ; la figure 7 illustre un procédé basé sur l'amplitude de la différence première pour l'élimination d'ondulations parasites dans un signal vidéo.
Comme représenté à la figure l, un objet ä mesurer l, de révolution axiale, est place devant une caméra 2 constituée d'un objectif 3 et d'un détecteur à réseau photosensible 4.
L'axe de l'objet'a mesurer 1 est place dans le plan de mise au point 5 de la camera 2 de sorte que l'image de l'objet ä mesurer 1 est correctement focalisée sur la surface photosensible du détecteur 4.
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- -=- --- --= : -= -- -== : : : : : - ¯- : : : ¯c : : : : -- ----
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- Iedit-detecteur 4' (du-typis-CCD-CTD"ouä ptoodiodes"parr - - --exemple), est constitué d'un réseau matriciel, linéaire ou - circulaire de cellules-photosMsibes-f-captant chacuae un- élément d'image ou un pixel.
Dans une configuration préferentiel1e, afin de réduire l'effet d'une défocalisation de l'image, l'objet à mesurer 1 est éclairé par une source de lumière collimatée 6, parallèle ä l'axe optique 7 de la caméra 2 et située derrière l'objet 1 par rapport ä celui-ci, de façon à former, non pas l'image de l'objet 1 sur le détecteur 4, mais bien l'image 8 de son ombre. Toutefois, il est clair que toute autre source d'éclairage, par exemple un éclairage par l'avant, est valable suivant l'invention.
L'image 8 observée par le réseau 4 est balayée ligne par
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- Hgn-e au moyem de eTTCUT-trs-eTenfrtTroTnhjires-non-representsss a l a-- figure 1. Lesdites cellules photosensibles sont, ä chaque balayage, lues l'une après 1'autre à une cadence déterminée par la fréquence d'horloge H de la camera 2. Le signal vidéo V qui est fourni, suivant le principe décrit ci-dessus, par la caméra 2 est, comme représenté à la figure 2, constitué d'une succession de paliers représentant chacun un pixel PI. C'est à partir de ces signaux vidéo---V, en utilisant le procédé selon
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=- - - - = -------- : =---=---- - : : : ; : : -- : : - l'invention, qu'on localise les bords de l'image.
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-D irs--1-e-Tcs d-n'd-6 t-edre u r-m a t r-i-c-i e l--9,--Tes--ce l tuls - -- - - ---- - - photosensibles sont disposées suivant un réseau de N lignes cont & naM-ehaune-M elements photosensibles,-eonune-represen à la figure 3. Le signal vidéo est obtenu en balayant successivement chaque ligne de la matrice.
Dans le sens du balayage, l'analyse de l'image, permettant la détection des bords et la mesure des dimensions peut se faire soit en temps rée1, soit en temps différé. En temps reel, les cellules photosensibles sont, à chaque balayage, lues l'une après l'autre et les calculs sont effectués sur les valeurs des pixels PI au fur et à mesure de leur numérisation, à la
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cadence d'horloge B de la caméra 2, assurant des mesures ä haute vitesse. En temps différé, les valeurs des pixels PI successifs sont mémorisées en vue d'un traitement ultérieur.
- Par-crcTirre-laaTyre-l'image permerrant Ta-äetection-aTes-- bords et les mesures de dimensions perpendiculairement au sens de balayage, nécessite la mémorisation des valeurs de pixels a chaque balayage : dans l'exemple de la figure 3, la dimension AB correspond ä un axe se trouvant ä hauteur des pixels d'indice i des lignes du reseau ; elle est obtenue en appliquant les algorithmes selon l'invention, aux valeurs des pixels (1, i)... (N, i) mémorisées au cours - du balayage complet de la matrice.
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- Dans--1-e-eas-d'un-lo-i---jes--cel-l-ul-e-s-photosensibles sont disposées suivant un réseau d'une seule -ligne. Pour analyser-l--i-m-a-ge---b-i-d-ime-n-a-ionnel-le 8 d'un objet-l-, à l'aide d'un réseau linéaire 10, on utilise un dispositif de translation comme représenté ä la figure 4 dans lequel l'objet ä mesurer 1, qui est situé entre le détecteur 4 à réseau lineaire 10 et la source de lumière collimatée 6, est placé dans une pince 11 mobile par rapport au réseau linéaire 10 et dans lequel le déplacement de 1'objet 1 devant le réseau linéaire 10 est enregistré par un capteur de position ou de déplacement 12 muni d'une unité 13 mesurant les positions
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successives de l'objet 1.
Le relevé des indications du capteur 12, associe aux resultats du traitement de la ligne dimage par l'unite 14, est traité par une unité de reconstitution 15 des caractéristiques de l'image bidimensionnelle.
- tre-proeede de trairtement-ds-s-intrx-vrdo,-obteous seien une- des méthodes décrites ci-dessus, est maintenant exposé avec référence aux figures 5 ä 7.
Dans une premiere phase les signaux vidéo V, fournis par la caméra 2, sont convertis en signaux digitaux B à une cadence égale ä la fréquence d'horloge H de la caméra 2.
Dans une phase suivante, representee ä la figure 5, on effectue sur les valeurs numériques du signal digitisé B le
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- c a-trc u l--d es- Hrf-f e rn c e s- premireres -D l-etr d-ess--d-i f-fr-em : ees secondes D2.
La différence première DII et seconde D21 s'effectue selon le procédé de l'invention en soustrayant de la valeur de chaque pixel PI la valeur du pixel precedent PI-1, respectivement, en soustrayant de chaque différence première DlI la valeur de la différence première précédant DII-1.
Dans une phase suivante, on détecte le changement de signe des différences secondes successives D2. Les points Pl et P2 qui correspondent avec les changements de signe des différences secondes successives D2, représentent les bords de l'image 8.
Les dimensions D de l'image 8, et donc celles de lobjet 1, sont représentées par le nombre de pixels PI séparant deux
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sont repr6sent6es par le nombre de pixels Pl 9 ( ! parant deux de par comptage des coups d'horloge B séparant deux détections de changements de signe des différences secondes D2.
Le facteur traduisant le nombre de pixels PI de l'image 8 en longueur physique de l'objet 1 peut etre prédéterminé soit par calcul du produit de la distance entre cellules voisines du réseau photosensible 4, c'est-a-dire une largeur de pixel PI,
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-- - -- - - -- - - : : : - - - - - --=-=---=et du grossissement de l'optique de la caméra ; soit par
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- caT-fbration expeTmenIralede-Taparr-Ll-de nresure en ut Urisant- - - - ---- ----un objet avec au moins un diamètre connu.
- - -- La résolution obtenue sur la localisation des bords de l'image 8 par le proeede decrit ci-dessus est de +/-1/2 largeur de
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pixel PI, et donc de +/-l largeur de pixel PI sur ses dimensions D.
Elle peut être améliorée par un procédé d'interpolation en temps reel permettant de détecter la localisation des bords à l'intérieur même d'un pixel PI, et done d'obtenir des mesures de dimensions avec une précision qui n'est plus limitée par la résolution intrinsique du photodétecteur 4. Ce procédé d'interpolation est représenté à la figure 6.
Dans ce but, les valeurs D21-1 et D21 de la différence seconde
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- D-correspondant-au prxs-PE-use-avan) :-et juste apres-] re-- changement de signe sont mémorisées. On obtient ainsi un jeu de quatre valeurs numériques de la difference seconde D2, qui vont servir d'informations de base pour le procédé d'interpolation en temps réel.
C'est ä partir des valeurs absolues de D21-1 et D21 qu'on calcule un coéfficient #, selon la relation :
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"/k/+3J-// On obtient les points P'l et P'2 délimitant les bords de l'image 8 en reportant au devant des points Pl et P2 correspondant au changement de signe, une fraction de largeur de pixel PI égale au coéfficient ss.
Sur la figure 6, les points Pl et P2 représentent les bords de l'image 8 déterminés sans interpolation, et D est la dimension correspondante ; P'l et P'2 représentent les bords déterminés par interpolation, et D'est 18 dimension corrigée.
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- Le-ag-a-1-v-bdeo-T-peüt presenter des-ond-uJat-inB-p-asrtes,-- dues par exemples à des variations spatiales de l'éclairage 6 ou à la presence de particules sur l'optique de la caméra 2, ce qui pourraient donner lieu ä des fausses détections de bords de pièce. Lesdites ondulations parasites ont la particularité de correspondre à des transitions moins franches que les transitions blanc-noir correspondant aux bords de la pièce observée 1. Tenant compte de cette pa-r-ticula-rité, -les
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fausses dtections peuvent etre evitees parun pro < Tédé--base sur l'amplitude de la difference première Dl.
Dans ce cas, les
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""ctraTTgments de sigirede Tra-dirff'eTCTice seccrnde-D ne sont prrs- en consideration que si la valeur numérique des différences premières correspondantes D1 est supérieure à une val-eut limite F, laquelle peut tre fixée lors du réglage du système
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de mesure, ou exprimée en fraction du niveau maximum de signal reçu. Ce procédé est représenté ä la figure 7.
Les algorithmes décrits ci-dessus sont réalisables par tous les moyens de traitements digitaux traditionnels.
Il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées ä l'exemple susdécrit, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
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Method of dimensional measurement at high speed and high precision by camera with photosensitive network. This invention relates to a method for measuring dimensions at high speed and at high precision, using a photosensitive array camera.
In particular, this invention relates to a method for analyzing and locating the contours of an image of a
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--obe-reproduced on-the-e-d-elece-u-r-a-rs-eat-photosensitive by- adequate lighting.
It has already been noted that the accuracy of the dimensional measurement by camera is limited by the blurring, which affects the outline of the image of the object. The existence of a blurred zone, the width of which depends on the lighting, the characteristics and the focus of the optics, in fact creates an indeterminacy on the location of the edges of the image. .
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Un-procd-cvnTTu-p-our - lever-ett-indeternrjrnatiron ecnrs. to detect the points of passage of the video signal, supplied by the camera, -a-a eu of a determined ten-ion-the-irneav-enent-of-this process is that the results thus obtained are strongly affected by the lighting and localization conditions and by the aberrations of the camera optics.
Another method consists in a purely analog processing of the video signal by double analog bypass and detection of the passage through zero.
A drawback of this process is that it involves analog operations (double derivative and detection of the passage through zero), which are very sensitive to the electrical noise inevitably present in the video signals. and the drifts of the electronic circuits carrying out the operations
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analog na na Another disadvantage of this known method is that by using a photosensitive array camera, the granularity of the video signal.
due to the succession of steps corresponding to the different image elements, must be eliminated by a low-pass filter, which results in a loss of information on the shape of the signal flanks and therefore on the determination of the contours of the image . This loss of information is all the more
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--bigger than the-flank-esl: -raide-cest-a-irre-que l'Image - - --- is intrinsically good.
The object of the invention is a method eliminating the above drawbacks, this method carrying out digital processing of the video signal, in real time, which makes it possible to obtain precise and rapid information on the characteristics of the parts to be measured, without degrading the content. video signal information.
The present invention relates to a contactless dimension measurement method, the advantages of which are to allow high precision, a high measurement rate and great flexibility.
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To this end, the method according to the invention consists of --subs ta nti ellem ent ä-chan trjl <Me r-et-n-mei sr-l es Lga alvid eo- at a rate equal to the clock frequency of the camera ; to perform on the numerical values obtained the calculation of the differences of the first and second order and to detect the change of sign among the successive values of the differences of the second order.
For more maps, embodiments of the method according to the invention are described below, by way of illustration
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gt noTi rstnrcir-avec-rfeTrence to dee-ms-amrees, -da n s L d-n- which Figure 1 shows the principle of the measurement of dimensions according to the invention; FIG. 2 represents a video signal supplied, according to the principle of measurement, by a camera; Figure 3 shows a matrix network; FIG. 4 illustrates a measurement device using a linear network; FIG. 5 represents the calculation of the first and second differences; FIG. 6 illustrates the principle of interpolation; FIG. 7 illustrates a method based on the amplitude of the first difference for the elimination of spurious ripples in a video signal.
As shown in FIG. 1, an object to be measured 1, of axial revolution, is placed in front of a camera 2 consisting of a lens 3 and a photosensitive array detector 4.
The axis of the object to be measured 1 is placed in the focusing plane 5 of the camera 2 so that the image of the object to be measured 1 is correctly focused on the photosensitive surface of the detector 4.
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- - = - --- - =: - = - - ==::::: - ¯-::: ¯c:::: - ----
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- The 4 'detector-detector (du-typis-CCD-CTD "ouä ptoodiodes" parr - - --example), is made up of a matrix, linear or - circular network of cells-photosMsibes-f-capturing each one-element image or pixel.
In a preferred configuration 1e, in order to reduce the effect of an image defocusing, the object to be measured 1 is illuminated by a collimated light source 6, parallel to the optical axis 7 of the camera 2 and located behind the object 1 with respect thereto, so as to form, not the image of the object 1 on the detector 4, but indeed the image 8 of its shadow. However, it is clear that any other source of lighting, for example front lighting, is valid according to the invention.
The image 8 observed by the network 4 is scanned line by
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- Hgn-e using eTTCUT-trs-eTenfrtTroTnhjires-non-representedss a a-- figure 1. Said photosensitive cells are, with each scan, read one after the other at a rate determined by the clock frequency H of camera 2. The video signal V which is supplied, according to the principle described above, by camera 2 is, as shown in FIG. 2, made up of a succession of steps each representing a pixel PI. It is from these video signals --- V, using the method according to
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= - - - - = --------: = --- = ---- -:::; :: -:: - the invention, that we locate the edges of the image.
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-D irs - 1-e-Tcs d-n'd-6 t-edre u rm a t rici e l - 9, - Tes - ce l tuls - - - - ---- - - photosensitive are arranged in an array of N cont & naM-ehaune-M photosensitive elements, -eonune-represen lines in Figure 3. The video signal is obtained by successively scanning each line of the matrix.
In the scanning direction, the image analysis, allowing the detection of the edges and the measurement of the dimensions can be done either in real time1, or in delayed time. In real time, the photosensitive cells are, on each scan, read one after the other and the calculations are performed on the values of the pixels PI as they are digitized, at
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clock rate B of camera 2, ensuring high speed measurements. In delayed time, the values of the successive pixels PI are stored for further processing.
- By-crcTirre-laaTyre-the permerrant image Ta-äetection-aTes-- edges and measurements of dimensions perpendicular to the scanning direction, requires the memorization of the pixel values at each scanning: in the example of figure 3, the dimension AB corresponds to an axis located at the height of the pixels of index i of the lines of the network; it is obtained by applying the algorithms according to the invention, to the values of the pixels (1, i) ... (N, i) memorized during - the complete scanning of the matrix.
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- In - 1-e-eas-d'un-lo-i --- jes - cel-l-ul-e-s-photosensibles are arranged in a network of a single-line. To analyze -l - ima-ge --- bid-ime-na-ional-le 8 of an object-l-, using a linear network 10, we use a translation device as shown ä FIG. 4 in which the object to be measured 1, which is located between the detector 4 with linear array 10 and the collimated light source 6, is placed in a clamp 11 movable relative to the linear array 10 and in which the displacement of The object 1 in front of the linear array 10 is recorded by a position or displacement sensor 12 provided with a unit 13 measuring the positions
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successive of object 1.
The reading of the indications from the sensor 12, associated with the results of the processing of the image line by the unit 14, is processed by a unit 15 for reconstituting the characteristics of the two-dimensional image.
- tre-proeede de trairtement-ds-s-intrx-vrdo, -obteous seien une- of the methods described above, is now exposed with reference to Figures 5 to 7.
In a first phase, the video signals V, supplied by the camera 2, are converted into digital signals B at a rate equal to the clock frequency H of the camera 2.
In a following phase, represented in FIG. 5, the digital values of the digitized signal B are carried out
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- c a-trc u l - d es- Hrf-f e rn c e s- premireres -D l-etr d-ess - d-i f-fr-em: seconds D2.
The difference first DII and second D21 is carried out according to the method of the invention by subtracting from the value of each pixel PI the value of the previous pixel PI-1, respectively, by subtracting from each first difference DlI the value of the first difference preceding DII-1.
In a following phase, the change in sign of the successive second differences D2 is detected. The points Pl and P2 which correspond with the changes of sign of the successive second differences D2, represent the edges of the image 8.
The dimensions D of image 8, and therefore those of object 1, are represented by the number of pixels PI separating two
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are represented by the number of pixels Pl 9 (! parrying two by by counting the clock ticks B separating two detections of change of sign of the second differences D2.
The factor translating the number of pixels PI of the image 8 in physical length of the object 1 can be predetermined either by calculating the product of the distance between neighboring cells of the photosensitive array 4, that is to say a width of pixel PI,
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- - - - - - - -:: - - - - - - - = - = --- = and the magnification of the camera optics; either by
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- caT-fbration expeTmenIralede-Taparr-Ll-de nresure en ut Urisant- - - - ---- ---- an object with at least a known diameter.
- - - The resolution obtained on the location of the edges of image 8 by the proeede described above is +/- 1/2 width of
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pixel PI, and therefore +/- l pixel width PI on its dimensions D.
It can be improved by a real-time interpolation method making it possible to detect the location of the edges within a PI pixel itself, and therefore to obtain dimension measurements with an accuracy which is no longer limited by the intrinsic resolution of the photodetector 4. This interpolation process is represented in FIG. 6.
For this purpose, the values D21-1 and D21 of the second difference
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- D-correspondent-to the prxs-PE-use-avan): -and just after-] re-- change of sign are memorized. A set of four digital values of the second difference D2 is thus obtained, which will serve as basic information for the real-time interpolation process.
It is from the absolute values of D21-1 and D21 that a coefficient # is calculated, according to the relation:
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"/ k / + 3J - // We obtain the points P'l and P'2 delimiting the edges of the image 8 by referring to the front of the points Pl and P2 corresponding to the change of sign, a fraction of pixel width PI equal to the coefficient ss.
In FIG. 6, the points Pl and P2 represent the edges of the image 8 determined without interpolation, and D is the corresponding dimension; P'l and P'2 represent the edges determined by interpolation, and D is 18 dimension corrected.
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- The-ag-a-1-v-bdeo-T-can present-ond-uJat-inB-p-asrtes, - due for example to spatial variations of lighting 6 or the presence of particles on the optics of the camera 2, which could give rise to false detections of the edges of the part. Said parasitic undulations have the particularity of corresponding to less frank transitions than the white-black transitions corresponding to the edges of the part observed 1. Taking this pa-r-ticula-rity into account,
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false detections can be avoided by a pro <Tede - based on the magnitude of the first difference Dl.
In this case, the
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"" Tratra-dirff'eTCTice seccrnde-D signal segments are only taken into account if the numerical value of the corresponding prime differences D1 is greater than a limit value F, which can be set during system setting
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of measurement, or expressed as a fraction of the maximum level of signal received. This process is shown in Figure 7.
The algorithms described above are achievable by all means of traditional digital processing.
It is obvious that many modifications can be made to the above-described example, without going beyond the ambit of the invention.