La métrologie 3D permet la vérification de spécifications géométriques et dimensionnelles sur des pièces mécaniques. Ce contrôle est classiquement réalisé à partir de mesures avec des capteurs à contact montés sur des machines à mesurer tridimensionnelles. Ce type de mesures offre une très grande qualité de données acquises mais requiert un temps d'exécution relativement long. Les présents travaux s'attachent donc à développer les mesures optiques dans le cadre de la métrologie 3D qui, avec une qualité diminuée, permettent une exécution beaucoup plus rapide. L'absence de norme concernant ces systèmes de mesure a pour conséquence leur utilisation rare dans le cadre de la métrologie. En effet, le choix d'un système est généralement réalisé à partir de spécifications sur sa qualité. Nous proposons donc une méthode de qualification des systèmes de mesure optiques permettant de quantifier la qualité des données qu'ils fournissent. Les données ainsi qualifiées sont stockées dans une base de données. Un processus global d'inspection 3D multi-systèmes est mis en place, permettant le choix du système de numérisation le mieux adapté (à contact ou sans contact) en termes de qualité et de coût de numérisation, à partir des données qualifiées de la base de données. Lors de l'utilisation de systèmes de mesure optiques, la baisse de qualité est essentiellement due au bruit de numérisation inhérent à ce type de systèmes. Un filtre permettant d'éliminer ce bruit, tout en gardant le défaut de forme de la surface, est mis en place dans le processus afin de rendre possible la vérification de spécifications avec des intervalles de tolérance faibles à l'aide de systèmes de mesure optiques. / 3D metrology allows GD\&{}T verification on mechanical parts. This verification is usually calculated using data obtained with a touch probe mounted on a coordinate measuring machine. Such a measurement offers a high data quality but requires an expensive processing time. The proposed research aims at expanding optical measurements in 3D metrology, reducing execution time but with a lower data quality. The lack of standard in this field makes the use of optical sensors uncommon in 3D metrology. Indeed, the system selection is mostly carried out from its quality specifications. Therefore we propose a protocol to assess the quality of optical measuring systems that allows in particular quantification of acquired data quality. The results of measuring system qualification are stored in a database. Taking advantages of this database, a global multi-system 3D inspection process is set up allowing the selection of the best digitizing system (contact or contactless) in terms of quality and digitizing cost. When using optical sensors, the poor quality is mostly due to digitizing noise inherent to this kind of systems. A filter that removes noise, keeping the form deviation of the surface, is proposed in the process to make possible the specification verification for applications with small tolerance intervals using optical systems.

L'automatisation de la numérisation est une étape indispensable au développement de la mesure tridimensionnelle, et ce, dans différents domaines :<br />- en milieu industriel, afin d'accélérer les procédures de contrôle de pièces,<br />- en archéologie et en biologie, pour l'étude de collections de plusieurs centaines voire milliers d'objets (dont l'acquisition est pour le moment impossible en raison du temps nécessaire, et donc du coût).<br />Dans ce mémoire, nous détaillons tout d'abord les différents systèmes d'acquisition et de positionnement existants, en détaillant les avantages et inconvénients de chaque système. Nous présentons ensuite la méthodologie mise en place pour guider l'opérateur dans ces choix ainsi que l'outil d'aide mis en place afin de formaliser cette méthodologie. Puis nous argumenterons de la nécessité de l'automatisation de la numérisation 3D en illustrant les limites et les contraintes des solutions actuellement en place. Des exemples d'application de la méthodologie sont décrits à travers différentes études de cas, mettant en évidence le temps d'intervention de l'opérateur. Ensuite, les méthodes d'automatisation de l'acquisition existantes sont décrites, en expliquant leurs limites face à notre problématique. Deux méthodes sont ensuite proposées : la première définit une planification de vues hors-ligne à partir d'un modèle de référence tandis que la seconde calcule la meilleure position suivante sans aucune information a priori sur l'objet. Ces deux méthodes permettent une numérisation complète d'un objet sans intervention d'un opérateur. Afin de tester ces méthodes, un environnement de simulation a été implémenté, ainsi qu'un prototype. Enfin, les résultats obtenus sont présentés et comparés à une numérisation manuelle.

Ce projet a été réalisé dans le cadre d'une thèse CIFRE avec le laboratoire IRCOM-SIC à Poitiers et l'entreprise GABILLY située à Limoges. Cette société fabrique des chaussures orthopédiques grâce aux mesures sur le pied effectuées manuellement par un podo-orthésiste. La précision est de +/- 4 mm. Cette société souhaite développer un système de métrologie du pied pour obtenir une précision de 1 mm. Les informations fournies par un tel système doivent aussi donner des indications de pression du pied. Ce système dépend des contraintes imposées par la prise de mesure sur le patient, par la difficulté de numériser et modéliser l'objet entier, par le choix du système d'acquisition et de la modélisation. Le système à développer doit être le plus simple possible, entièrement automatique, le moins cher possible et doit être géré par un ordinateur PC standard. Il doit permettre d'extraire à partir du pied humain un nuage de points. Le projet a été envisagé sous un axe vision à l'aide de caméras couleur. Une technique d'étalonnage particulière avec une simple mire plane a été mise en place pour faciliter la prise en main du système. La détection de la mire est effectuée par la transformée de Hough. Le système d'acquisition en trois dimensions pour le pied humain est un système de vision passive. Les méthodes mises en oeuvre doivent permettre de traiter n'importe quel type de pied donc de peau, quelque soit la couleur, la forme ou la texture. Dans un premier temps, une étude sur la peau humaine a permis de choisir un espace de représentation de la couleur et une couleur particulière pour le fond du système. Les images du pied sont segmentées par une méthode spécifique afin d'éliminer tous les pixels n'appartenant pas au pied. La segmentation est effectuée dans l'espace Teinte-Luminance-Saturation et par une opération de dilatation géodésique. Les points de pression sont obtenus par un traitement spécifique de l'histogramme de l'image de la Teinte segmentée. Ensuite, plu-sieurs méthodes de reconstruction 3D ont été mises en place pour extraire un nuage de points 3D appartenant à la surface du pied. La première méthode est une technique de reconstruction par projection et la deuxième est basée sur la stéréovision dont la mise en correspondance des points est faite par corrélation. La modélisation ou reconstruction de surface du nuage de points obtenu n'est pas le premier objectif mais elle permet de valider les méthodes d'extraction de nuages de points, plusieurs méthodes de reconstruction de surfaces ont été expérimentées sur des nuages de points organisés et non organisés. Finalement, deux systèmes d'acquisition ont été développés : 2D et 3D. Le système 2D est inclus dans le système 3D et il permet la fabrication des semelles orthopédiques qui représentent cinquante des cas rencontrés. Les informations extraites sont les contours de la plante du pied, la métrologie et les points de pression. Les fichiers de nuage de points obtenus sont directement exploitables par les logiciels de conception assistée par ordinateur.

Cette thèse traite de la numérisation 3D d'objets de formes inconnues par capteur laser plan sans contact. Objectif : accroître la qualité du résultat par la génération de trajectoire intelligente (TI) de numérisation. Les paramètres du positionnement capteur/pièce et la conséquence de leur variation sur la qualité du nuage sont étudiés. Un protocole expérimental d'évaluation du système de numérisation vis à vis du bruit de mesure (fonction de la distance et de l'angle de numérisation) est proposé, complété par des procédures d'évaluation de la justesse, la justesse relative et la fidélité. Il permet l'identification de l'espace admissible pour la génération de la TI. La démarche de génération de la TI débute par une première numérisation de l'objet. La qualification des données 3D obtenues est proposée tirant partie de l'étude précédente. Les zones de qualité insuffisante (bruit et complétude principalement) qui doivent être re numérisées sont identifiées. La nouvelle trajectoire est recalculée de façon à ce que les paramètres définissent un positionnement capteur appartenant à l'espace admissible précédemment établi. La démarche est illustrée par différents exemples.

La métrologie 3D permet la vérification de spécifications géométriques et dimensionnelles sur des pièces mécaniques. Ce contrôle est classiquement réalisé à partir de mesures avec des capteurs à contact montés sur des machines à mesurer tridimensionnelles. Ce type de mesures offre une très grande qualité de données acquises mais requiert un temps d'exécution relativement long. Les présents travaux s'attachent donc à développer les mesures optiques dans le cadre de la métrologie 3D qui, avec une qualité diminuée, permettent une exécution beaucoup plus rapide. L'absence de norme concernant ces systèmes de mesure a pour conséquence leur utilisation rare dans le cadre de la métrologie. En effet, le choix d'un système est généralement réalisé à partir de spécifications sur sa qualité. Nous proposons donc une méthode de qualification des systèmes de mesure optiques permettant de quantifier la qualité des données qu'ils fournissent. Les données ainsi qualifiées sont stockées dans une base de données. Un processus global d'inspection 3D multi-systèmes est mis en place, permettant le choix du système de numérisation le mieux adapté (à contact ou sans contact) en termes de qualité et de coût de numérisation, à partir des données qualifiées de la base de données. Lors de l'utilisation de systèmes de mesure optiques, la baisse de qualité est essentiellement due au bruit de numérisation inhérent à ce type de systèmes. Un filtre permettant d'éliminer ce bruit, tout en gardant le défaut de forme de la surface, est mis en place dans le processus afin de rendre possible la vérification de spécifications avec des intervalles de tolérance faibles à l'aide de systèmes de mesure optiques.

L'objectif de la thèse est de développer une méthode de modélisation 3D des tunnels canaux en service, afin de les documenter de manière précise. Le levé des structures est effectué en dynamique depuis un bateau, avec un ensemble de caméras au-dessus de l'eau et un sonar pour la partie immergée. La construction du modèle 3D doit combiner des données acquises dans deux milieux différents, en l'absence de signal GPS pour la localisation du système de mesure. L'approche proposée exploite pleinement les capacités du calcul photogrammétrique, à la fois pour construire le modèle 3D de la voûte et pour estimer la trajectoire du bateau, laquelle permet de géoréférencer les profils de points sonar. L'application du procédé en vraie grandeur dans le tunnel de Niderviller a permis d'obtenir un premier modèle 3D. L'analyse de la méthode a mis en jeu une technologie innovante de mesure sonar statique, nécessitant le développement de traitements appropriés. Elle a permis de jauger les capacités du sonar à numériser les canaux, d'évaluer les trajectoires estimées par photogrammétrie et de comparer quantitativement le modèle obtenu à un modèle de référence préalablement construit. / The aim of this thesis is to develop a 3D modeling method for canal-tunnels in service, in order to document them accurately. The survey of the structures is carried out dynamically from a boat, with a set of cameras above the water and a sonar for the submerged part. The construction of the 3D model must combine data acquired in two different environments, in the absence of a GPS signal to locate the measurement system. The proposed approach makes full use of the capabilities of photogrammetric computation, both to build the 3D model of the vault and to estimate the trajectory of the boat, which allows georefencing of sonar point profiles. The application of the process to field test data acquired in the Niderviller tunnel allowed a first 3D model to be obtained. The analysis of the method involved an innovative static sonar measurement technology, requiring the development of appropriate treatments. It enabled to assess the capacity of the sonar for canal surveying, to evaluate the trajectories estimated using photogrammetry and to compare quantitatively the obtained model with a previously constructed reference mode

La numérisation 3D telle que pratiquée aujourd'hui repose essentiellement sur les connaissances de l'opérateur qui la réalise. La qualité des résultats reste très sensible à la procédure utilisée et par conséquent aux compétences de l'opérateur. Ainsi, la numérisation manuelle est très coûteuse en ressources humaines et matérielles et son résultat dépend fortement du niveau de technicité de l'opérateur. Les solutions de numérisation les plus avancées en milieu industriel sont basées sur une approche d'apprentissage nécessitant une adaptation manuelle pour chaque pièce. Ces systèmes sont donc semi-automatiques compte tenu de l'importance de la contribution humaine pour la planification des vues.Mon projet de thèse se focalise sur la définition d'un procédé de numérisation 3D automatique et intelligente. Ce procédé est présenté sous forme d'une séquence de processus qui sont la planification de vues, la planification de trajectoires, l'acquisition et les post-traitements des données acquises. L'originalité de notre démarche de numérisation est qu'elle est générique parce qu'elle n'est pas liée aux outils et méthodes utilisés pour la réalisation des tâches liées à chaque processus. Nous avons également développé trois méthodes de planification de vues pour la numérisation d'objets sans connaissance a priori de leurs formes. Ces méthodes garantissent une indépendance des résultats par rapport au savoir-faire de l'opérateur. L'originalité de ces approches est qu'elles sont applicables à tous types de scanners. Nous avons implanté ces méthodes sur une cellule de numérisation robotisée. Nos approches assurent une reconstruction progressive et intelligente d'un large panel d'objets de différentes classes de complexité en déplaçant efficacement le scanner

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

La numérisation 3D permet de générer des représentations numériques très réalistes et fidèles géométriquement aux surfaces réelles. Cependant, cette fidélité géométrique, obtenue à l'aide d'un sur-échantillonnage de surfaces, augmente considérablement le volume de données générées. Les maillages ainsi produits sont donc très denses, et peu adaptés aux différents supports de visualisation, de transfert, de stockage, etc. La représentation semi-régulière des surfaces permet de diminuer le volume nécessaire à la représentation de ces maillages denses, et possède des qualités bien connues en matière de représentations multi-échelles et de compression. Cette thèse a pour objectif d'optimiser la chaîne de numérisation 3D classique en améliorant l'échantillonnage des surfaces tout en conservant la fidélité géométrique, et en court-circuitant les étapes fastidieuses qui conduisent à une représentation semi-régulière. Pour cela, nous avons intégré dans un système stéréoscopique, l'échantillonnage en disques de Poisson qui, grâce à ses propriétés de bruit bleu, réalise un bon compromis entre sous- et sur-échantillonnage. Ensuite, nous avons généré un mailleur semi-régulier, qui travaille directement sur les images stéréoscopiques, et non sur une version remaillée des nuages de points habituellement générés par ces systèmes. Les résultats expérimentaux montrent que ces deux contributions génèrent de façon efficace des représentations semi-régulières, qui sont géométriquement fidèles aux surfaces réelles, tout en réduisant le volume de données générées. / Nowadays, 3D digitization systems generate numeric representations that are both realistic and of high geometric accuracy with respect to real surfaces. However, this geometric accuracy, obtained by oversampling surfaces, increases significantly the generated amount of data. Consequently, the resulting meshes are very dense, and not suitable to be visualized, transmitted or even stored efficiently. Nevertheless, the semi-regular representation due to its scalable and compact representation, overcomes this problem. This thesis aims at optimizing the classic 3D digitization chain, by first improving the sampling of surfaces while preserving geometric features, and secondly shortening the number of required treatments to obtain such semi-regular meshes. To achieve this goal, we integrated in a stereoscopic system the Poisson-disk sampling that realizes a good tradeoff between undersampling and oversampling, thanks to its blue noise properties. Then, we produced a semi-regular meshing technique that directly works on the stereoscopic images, and not on a meshed version of point clouds, which are usually generated by such 3D scanners. Experimental results prove that our contributions efficiently generate semi-regular representations, which are accurate with respect to real surfaces, while reducing the generated amount of data.

Cette thèse s'intègre dans le processus qui conduit de l'acquisition numérique 3D à<br />la réalisation de maquettes virtuelles destinées à l'architecture et à l'archéologie.<br />Elle débute par l'étude des techniques d'acquisition 3D utilisées, la lasergrammétrie<br />et la photogrammétrie architecturale, et se poursuit par une analyse comparative<br />détaillée de ces dispositifs, basée sur de multiples expérimentations réalisées sur le<br />terrain lors de la collaboration entre le Map-Crai et le Map-Page.<br />Ensuite une réflexion sur la morphologie architecturale est abordée autour de ses<br />variantes typologiques et architectoniques, suivie par les questions théoriques<br />soulevées par la modélisation 3D et plus spécifiquement la modélisation<br />architecturale.<br />Diverses expérimentations sont ensuite présentées, elles constituent le support<br />d'une réflexion sur le développement d'outils numériques destinés à faciliter la<br />modélisation géométrique architecturale. La principale contribution de cette thèse<br />correspond à l'association de cette réflexion empirique à une approche analytique<br />fondée sur nos connaissances théoriques en architecture, qui aboutit à l'identification<br />de primitives géométriques contraintes, les moulures. Les outils numériques ainsi<br />développés dans un logiciel de CAO définissent ces primitives géométriques<br />ajustables dont le champ d'application initial, spécifique à l'architecture classique,<br />sera étendu à l'architecture khmère.<br />Enfin une proposition plus évoluée correspondant à la téléologie de cette thèse,<br />obtenir de façon efficace un résultat conforme au cahier des charges de la<br />modélisation architecturale et archéologique, est intégrée dans un logiciel de<br />synthèse d'image.