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Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et mod´ elisation de d´ eformati

Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et mod´ elisation de d´ eformations Matthieu Dujardin To cite this version: Matthieu Dujardin. Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et mod´ elisation de d´ eformations. Engineering Sciences. 2013. <dumas-00920445> HAL Id: dumas-00920445 http://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-00920445 Submitted on 18 Dec 2013 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET MÉTIERS ÉCOLE SUPÉRIEURE DES GÉOMÈTRES ET TOPOGRAPHES _________________ MÉMOIRE présenté en vue d'obtenir le DIPLÔME D'INGÉNIEUR CNAM Spécialité : Géomètre et Topographe par Matthieu DUJARDIN ___________________ Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et modélisation de déformations Soutenu le 28 juin 2013 _________________ JURY PRÉSIDENT : M. Arnaud GALLAIS Président du jury MEMBRES : M. Laurent POUX Maître de stage M. Ghyslain FERRÉ Professeur référent M. Stéphane DURAND Examinateur M. Jean-Frédéric FUCHS Examinateur M. Gwenaël SAGNE Examinateur M. Richard THÉVENOT Examinateur Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et modélisation de déformations •••• Matthieu DUJARDIN - Mémoire ESGT - Juin 2013 Page 1 « Tout dans la nature se modèle sur la sphère, le cône et le cylindre, il faut apprendre à peindre sur ces figures simples, on pourra ensuite faire tout ce qu'on voudra. », Paul CÉZANNE. Avant-propos Le terme des trois années d’études à l’ESGT abouti sur le Travail de Fin d’Études, projet à caractère professionnel ayant pour but de s’intégrer au mieux au monde du travail. De plus, le TFE consiste en un travail de recherche important sur une longue durée. Ce travail s’est déroulé au sein de la SARL Lechêne & Associés, cabinet de géomètres-experts localisé à BOLBEC en Seine-Maritime, sur une durée de cinq mois. Ce rapport aura pour but de mettre en évidence les activités réalisées durant ces 20 semaines de travail. Cela passera par la reconnaissance de formes, notamment en industrie, pour tout ce qui concerne les tuyauteries ainsi que les bacs de stockage. Cette étude sera utile par la suite afin de pouvoir modéliser des déformations entre un modèle théorique le plus proche possible du modèle réel et un nuage de points mesurés sur le terrain, ou même entre deux « scans » d’un même objet pour vérifier une quelconque évolution. Remerciements Dans un premier temps, je tiens à remercier Monsieur Laurent POUX, mon maître de stage, pour m’avoir accompagné durant toute la durée de ce TFE, d’avoir pris le temps de répondre aux questions qui me venaient à l’esprit, mais aussi pour m’avoir guidé dans ma démarche de cette étude. Je souhaite remercier également Messieurs Stéphane et Jean-Luc LECHÊNE, co-gérants de cette entreprise, pour m’avoir accueilli durant ces 20 semaines de ma dernière année d’études. Je tiens de plus à remercier Stéphane (informaticien), Alain et Lionel (équipe urbanisme), David et Jean-Paul (équipe industrie), Éric et Christophe (équipe terrain) ainsi que Brigitte, Sylvie et Anne (secrétariat, assistance et comptabilité) pour m’avoir accueilli comme un membre de l’équipe. De même, je remercie Monsieur Ghyslain FERRÉ, professeur référent de mon TFE, pour sa disponibilité et le suivi de ce projet, ainsi qu’à l’ensemble du corps enseignant, pour l’enseignement théorique reçu à l’ESGT. Un grand merci également à Monsieur Nicolas LANDRIVON, du bureau commercial TECHNODIGIT, pour avoir contribué à ce projet en autorisant une utilisation prolongée du logiciel 3DReshaper. Pour finir, ces remerciements s’adressent également aux personnes de mon entourage, famille et amis, pour leur soutien durant toute la durée de ce TFE ainsi que l’ensemble de mon cursus d’enseignement supérieur. Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et modélisation de déformations •••• Page 2 Matthieu DUJARDIN - Mémoire ESGT - Juin 2013 Glossaire Ajustement : il s’agit d’une étape de traitement pour modéliser un nuage de points. Cette phase va permettre d’ajuster les dimensions du modèle CAO utilisé, et va le recaler au mieux sur l’ensemble des points du nuage. Inspection : elle est synonyme de « comparaison ». Ce traitement permet de comparer deux maillages (nuages de points maillés ou triangulés), deux nuages de points ou encore un modèle et un nuage de points, afin de faire ressortir des écarts tridimensionnels, avec l’utilisation d’un dégradé de couleurs. Lasergrammétrie : technique de relevé tridimensionnel à partir d’un balayage laser dont le pas est réglable par l’utilisateur. Sa cadence de prise de mesures est très élevée. Les scanners laser 3D constituent un outil utilisant cette technique. Maillage : il s’agit d’un traitement permettant de créer une surface à partir du nuage de points. Des trinômes de points seront reliés entre eux afin de créer des triangles dans l’espace. Par abus de langage, un maillage peut également correspondre au nuage maillé. Normale d’une surface : elle désigne la perpendiculaire au plan tangent d’une surface en un point. Sur l’exemple de la sphère, la normale en un point de la surface est représentée par la droite passant par ce point et le centre du modèle (la sphère). Plaquage de texture : après le maillage, il s’agit d’une commande (que l’on trouve sur 3DReshaper par exemple) permettant de plaquer une image (photographie, résultat d’inspection exportée comme image,…) sur le modèle maillé obtenu précédemment. De cette manière on obtiendra un solide avec du relief et des couleurs, permettant de mieux déterminer les déformations d’une zone. Primitive : il s’agit d’un modèle de base à la modélisation 3D. Le mélange d’un jeu de primitives permet de réaliser des modèles plus complexes. On retrouve par exemple : le plan, la ligne, le cercle, le cylindre, la sphère, le cône, le tore,… (exemple d’une tuyauterie avec coudes et autres raccords). Ré-échantillonnage : il s’agit d’un outil permettant de modifier la quantité de points d’un même nuage. En cas de sur-échantillonnage, il faudra densifier le nuage existant à partir de méthodes d’interpolation par exemple. Pour le sous-échantillonnage, il faudra supprimer des points de manière régulière, notamment lorsque l’on cherche à diminuer la taille d’un fichier. Le procédé reste le même que lors d’une réduction de la résolution d’une image. Segmentation : étape du traitement de reconnaissance de forme permettant d’isoler des portions de nuage et de supprimer le bruit environnant afin de pouvoir modéliser avec plus de fiabilité. Visée rasante : il s’agit d’une visée dont l’angle formé entre celle-ci et la tangente à la surface à mesurer est faible. Si la mesure se fait avec un rayon laser, ce dernier prendra une forme d’ellipse sur la surface et la distance pourra être perturbée. Voisinage : c’est l’ensemble des points les plus proches d’un point choisi. Il se paramètre notamment à partir d’une sphère ou d’un cylindre centré sur le premier point (sélectionné par l’utilisateur) Le scanner laser 3D : reconnaissance de formes et modélisation de déformations •••• Matthieu DUJARDIN - Mémoire ESGT - Juin 2013 Page 3 Table des matières Avant-propos .......................................................................................................................... 1 Remerciements ....................................................................................................................... 1 Glossaire ................................................................................................................................. 2 Table des matières .................................................................................................................. 3 Introduction ............................................................................................................................ 5 INT.1 PRESENTATION DE L'ENTREPRISE D'ACCUEIL ................................................................................. 5 INT.2 CONTEXTE DE L'ETUDE .................................................................................................................. 5 INT.2.1 Modélisation 3D .............................................................................................................. 5 INT.2.2 Pourquoi relever ?............................................................................................................ 6 INT.2.3 Techniques de relevés 3D ................................................................................................ 6 INT.3 PROBLEMATIQUE ........................................................................................................................... 7 INT.4 OBJECTIFS VISES ........................................................................................................................... 7 INT.5 PLAN DU MEMOIRE ........................................................................................................................ 7 I ETAT DE L'ART DE L'EXISTANT ................................................................................................................. 8 I.1 LA TECHNIQUE LASER SCANNER 3D ................................................................................................... 8 I.1.1 Principe de la méthode .............................................................................................................. 8 I.1.1.1 Le principe physique du laser ............................................................................................ 8 I.1.1.2 Le principe de la méthode de relevé par scanner laser 3D ................................................. 8 I.1.2 Différents types de scanners ...................................................................................................... 9 I.1.3 Les risques liés au laser ........................................................................................................... 10 I.1.3.1 Les risques pour la peau ................................................................................................... 10 I.1.3.2 Les risques pour l'œil ....................................................................................................... 10 I.1.3.3 Et pour les scanners ? ....................................................................................................... 10 I.1.4 Les avantages et inconvénients de cette technique .................................................................. 11 I.1.4.1 Les avantages ................................................................................................................... 11 I.1.4.2 Les inconvénients ............................................................................................................ 11 I.2 GEOREFERENCEMENT ....................................................................................................................... 11 I.3 QUELQUES LOGICIELS POUR LA MODELISATION DE NUAGES DE POINTS ............................................ 12 I.3.1 3DReshaper ............................................................................................................................. 12 I.3.2 Meshlab ................................................................................................................................... 14 II RECONNAISSANCE DE FORMES ............................................................................................................ 16 II.1 PREAMBULE .................................................................................................................................... 16 II.2 SEGMENTATION ............................................................................................................................... 17 II.3 LES ALGORITHMES DE RECONNAISSANCE DE FORMES ..................................................................... 18 II.3.1 Choix de la primitive .............................................................................................................. 18 II.3.2 En sélectionnant 1 point, par étude de voisinage.................................................................... 18 II.3.2.1 Tirage du premier point .................................................................................................. 18 II.3.2.2 Tirage des autres points .................................................................................................. 19 II.3.2.3 Création du cylindre ....................................................................................................... 20 II.3.2.4 Cas de plusieurs cylindres dans un nuage ....................................................................... 20 II.3.3 Utilisation des moindres carrés implicites .............................................................................. 21 II.3.4 Reconnaissance par 2 points et leur normale ......................................................................... 21 II.3.4.1 Choix des points ............................................................................................................. 22 II.3.4.2 Création d'un plan ........................................................................................................... 22 II.3.4.3 Mise en place du modèle CAO ....................................................................................... 22 Le scanner laser 3D : reconnaissance de uploads/s3/ dujardin-matthieu.pdf