capteur 3D

Qu’est-ce qu’un capteur 3D ?

Un capteur 3D est un capteur qui capture des formes en trois dimensions.
Alors que les caméras ordinaires ont des capteurs permettant d’obtenir des informations plates (bidimensionnelles), les capteurs 3D peuvent obtenir des informations sur la hauteur en plus des informations bidimensionnelles.

Dans notre vie quotidienne, nous recevons des stimuli et acquérons des informations par l’intermédiaire de nos yeux, de nos oreilles, de nos mains et de nos cinq autres sens, et on peut dire que les capteurs 3D sont un mécanisme qui remplace ces sens. Cette technologie est également connue sous le nom de capteurs 3D.

Types de capteurs 3D

Il existe différents types de capteurs 3D, en fonction de la technique de mesure. Il y a trois grandes catégories de techniques de détection utilisées pour acquérir des formes 3D : à temps différé ou retardement, la triangulation et celle du point focal. Chacune d’entre elles est expliquée ci-dessous.

Méthode à temps différé (à retardement)

Cette méthode mesure la distance en fonction du temps que met la lumière à être émise et renvoyée au capteur.
La profondeur peut être mesurée sur une distance allant jusqu’à 100 m ou plus, mais la précision n’est que de quelques millimètres à courte distance.

La méthode à temps différé, qui permet de mesurer de longues distances, est de plus en plus utilisée pour détecter des personnes et des objets dans le cadre de la conduite automatique de véhicules et de véhicules à guidage automatique (AGV).

Les méthodes à temps différé sont également utilisées comme technologie pour le :

• LiDAR
  LiDAR est un terme générique désignant une méthode de mesure de la distance d’un objet et de sa forme par irradiation d’un faisceau laser et détection de la lumière réfléchie ou diffusée. La distance et la direction d’un objet sont mesurées en mesurant le temps nécessaire à la lumière laser irradiée pour atteindre l’objet et rebondir.
• ToF (en anglais Time of Flight ou temps de vol en français)
  Un capteur ToF est un LiDAR qui projette des ondes pulsées à intervalles réguliers.
  Souvent utilisés comme caméra ToF en combinaison avec un appareil photo, les capteurs ToF peuvent acquérir des informations sur un large champ de vision avec une seule exposition à la lumière et sont relativement peu coûteux.

Méthode de triangulation

• Coupe optique
  Il s’agit d’une méthode dans laquelle une ligne de lumière laser est irradiée sur un objet, la lumière réfléchie est capturée par une caméra et la hauteur de l’objet est mesurée à partir du déplacement de la ligne laser.
  Il s’agit d’un capteur à balayage linéaire qui acquiert des données pour un profil (section transversale) en un seul balayage. Des formes 3D peuvent être générées en combinant continuellement les données de profil acquises tout en déplaçant le capteur ou l’objet.
• Vision stéréoscopique
  En utilisant le même principe que lorsqu’une personne voit un objet, deux caméras ou plus capturent la même position de l’objet et calculent la différence de hauteur à partir de la parallaxe des deux caméras ou plus.
  Cette méthode est avantageuse en termes de rapidité et de coût, car la forme 3D peut être capturée en une seule prise de vue à partir d’une caméra de surface. Comme les parallaxes entre les points de l’image capturée sont comparées, les différences de hauteur doivent apparaître comme des textures.
• Projection de bandes/projection de motifs
  Cette méthode permet de mesurer la hauteur en projetant plusieurs motifs de bandes sur un objet et en analysant les images des motifs prises dans différentes directions.
  Une géométrie 3D de haute précision peut être capturée dans un état statique.

Méthode du point focal

• Interférence de la lumière blanche
  Il s’agit d’une méthode de mesure qui utilise la caractéristique d’une forte interférence lorsque la lumière blanche avec plusieurs longueurs d’onde est irradiée à partir de deux directions et que leurs longueurs de chemin optique sont exactement les mêmes.
  La lumière blanche est divisée en deux par un séparateur de faisceau, l’un est réfléchi sur l’objet et l’autre sur un miroir de référence, et la hauteur et la profondeur de la surface de l’objet sont mesurées à partir de l’intensité d’interférence de la lumière reçue par le capteur.
  La position du foyer peut être calculée en fonction de la longueur d’onde de la lumière, ce qui permet de mesurer la hauteur au niveau du nanomètre et du micromètre. De plus, les mesures peuvent être effectuées indépendamment du matériau ou de la couleur de l’objet.　
• Confocale
  L’optique confocale permet à la lumière provenant d’une source lumineuse ponctuelle de traverser un objectif et de se réfléchir sur la surface de l’objet, la lumière réfléchie traversant à nouveau l’objectif et étant reçue par le capteur.
  Juste avant que la lumière ne pénètre dans le capteur, il y a un petit trou, appelé trou d’épingle, par lequel seule la lumière réfléchie au point focal passe et est détectée, déterminant ainsi la position de la mise au point.
  Comme il n’est pas possible de mesurer une grande surface en une seule fois, cette technique est principalement utilisée dans les applications où un champ de vision limité est mesuré, comme la microscopie laser.
• Focalisation
  Méthode de mesure dans laquelle la distance entre la caméra et l’objet varie par petites étapes pour rechercher la position optiquement focalisée.
  Plusieurs images sont capturées et la forme 3D est reconstruite en analysant le changement dans le flou de la mise au point.
  La large plage de l’axe Z et la possibilité de mesurer dans un plan permettent des mesures plus rapides que la méthode de mise au point, mais la précision est plus grossière.

Utilisations des capteurs 3D

Les capteurs 3D sont utilisés dans toutes sortes d’équipements, principalement dans les systèmes qui utilisent la fonction de reconnaissance d’une caméra pour acquérir des données d’image avec des informations de distance en 3D à partir d’informations d’image en 2D. L’automobile et les engins de chantier sont cités à titre d’exemple.

Utilisations dans les automobiles

Les véhicules automatiques utilisent des capteurs 3D pour identifier leur propre position et les informations environnantes. Les informations sur la position peuvent également être fournies par le système mondial de navigation par satellite (GNSS), mais les capteurs 3D sont essentiels pour la reconnaissance en temps réel.

Utilisations dans les engins de chantier

Dans les machines de construction, le système démontre sa véritable valeur dans les environnements où le GPS ne peut pas être utilisé : les capteurs 3D peuvent être utilisés pour détecter les opérateurs et mesurer les dimensions des objets, favorisant ainsi la construction sans personnel.

De plus, il est possible de suivre la trajectoire des objets transportés et d’enregistrer les lieux de stockage. Il est ainsi plus facile d’identifier les problèmes de transport, l’emplacement des matériaux et l’état des stocks.

Il existe également d’autres produits spécialisés dans l’acquisition d’images 3D à l’aide de capteurs à grande vitesse ou sur des lignes de production, par exemple pour la mesure d’objets en 3D.

Principe des capteurs 3D

Il existe différents types de capteurs, en fonction de la méthode de mesure, de l’objet à mesurer, etc. La technologie de détection utilisée pour acquérir des données 3D peut être classée en deux grandes catégories : les méthodes passives et les méthodes actives. Ces deux méthodes peuvent être classées selon qu’elles projettent ou non de la lumière.

Chacune d’entre elles est expliquée ci-dessous :

Méthodes passives

Les méthodes passives détectent les objets en produisant une image de l’objet sous éclairage et en recevant des ondes électromagnétiques et autres de l’objet à mesurer.

Les principales catégories sont les méthodes monoculaires, binoculaires et multinoculaires, qui sont des méthodes sans contact permettant d’obtenir des informations tridimensionnelles. Une catégorisation plus détaillée comprend la forme à partir de l’ombrage, la forme à partir de la texture et la forme à partir du contour dans la vision monoculaire.

La vision binoculaire implique une vision stéréo avec les deux yeux. La vision multinoculaire implique une vision stéréo avec plusieurs yeux et une focalisation sur le domaine du mouvement.

Le problème des méthodes passives est que leur traitement prend beaucoup de temps, car elles nécessitent l’utilisation de deux (binoculaires) ou plusieurs caméras pour cartographier les images. Les méthodes utilisant des caméras stéréoscopiques sont également classées comme des méthodes passives.

Méthodes actives

Les méthodes actives mesurent les distances en projetant des ondes électromagnétiques sur l’objet à mesurer et en utilisant leur réflexion.

Les principales catégories de ces méthodes sont le radar optique, la projection optique, le moiré et la stéréo photométrique.

Les méthodes de moiré et de stéréo photométrique ne font pas l’objet d’une classification détaillée.

Les méthodes de radar optique utilisent des méthodes de mesure à différence de temps et à différence de phase.

Les méthodes de projection de lumière utilisent la lumière ponctuelle, fendue ou inclinée et utilisent également des motifs avec différents types de codage (méthodes de projection de motifs pour les codes intra-spatiaux et les codes de séries temporelles).

Les méthodes actives posent des problèmes dans la mesure où elles sont limitées par l’environnement et l’objet de la mesure.

Par exemple, des mécanismes sont nécessaires pour la projection de la lumière et elles ne conviennent pas pour l’imagerie à longue distance dans des environnements lumineux tels que l’extérieur. Pour ces raisons, la méthode ToF (Time of Flight) est classée parmi les méthodes actives.

Comme il existe toutes sortes de méthodes de mesure et de types de capteurs lorsqu’il s’agit de capteurs 3D en bref, il est important de faire une sélection en fonction du cas dans lequel elle est nécessaire.