L 'une des nombreuses fonctions des systèmes de vision est la mesure dimensionnelle. À partir d'une image, il est en effet possible d'obtenir différentes informations sur une pièce, comme la distance entre deux points. « On retrouve la mesure dimensionnelle par vision dans différentes industries, à partir du moment où il y a un process qualité »,noteAntonin Goude, ingénieur responsable produit pour les systèmes embarqués chez National Instruments. Une pièce est-elle percée au bon endroit? Son diamètre est-il correct? « Dès que l'on récupère de l'information sur une pièce, on est amené à mesurer des dimensions », continue Antonin Goude. Ce procédé se retrouve beaucoup dans l'industrie automobile, notamment, et électronique: les contrôles dimensionnels y ont souvent une place importante lorsqu'il s'agit de pièces ou de composants liés à des fonctions de sécurité. Mais la qualité des mesures par un système de vision dépend de nombreux paramètres qui impliquent toute une chaîne, de l'éclairage au traitement des informations. Les caméras, comme les logiciels, font des progrès en ce sens. « La mesure dimensionnelle commence par la prise d'une photo. De ce point de vue, elle ne diffère pas des autres applications de la vision en deux dimensions , commente Florent Poitrine, en charge des produits d'iden-tification et mesure chez Sick. C'est le logiciel qui fait la différence. » Cependant, la partie matérielle est soumise à différentes contraintes.Tout d'abord, la résolution du capteur entre en jeu. Il faut un nombre de pixels suffisant pour obtenir une image exploitable. «I l existe des capteurs tout simples dont les logiciels proposent des fonctions de mesure, mais qui sont limités par leur faible résolution », prévient Florent Poitrine.

Les fonctions des logiciels de vision sont en permanence optimisées, afin de réduire leur temps de calcul.

Précision au micron

« Mais tout dépend de ce que l'on veut mesurer, continue-t-il. S'il s'agit de vérifier qu'une pièce est bien vissée, ou une vis bien enfoncée,la précision n'est pas au micron près. Une faible résolution ou une image un peu déformée n'est donc pas très grave. » Avec le temps, la résolution des capteurs de vision progresse beaucoup. « Ce marché est tiré par celui de la photographie numérique , analyse Véronique Newland, directrice de l'intégrateur New Vision Technology. Il est assez facile aujourd'hui d'obtenir une résolution du pixel qui approche les quelques microns au niveau physique de l'objet inspecté ».

Mais un bon capteur n'est pas suffisant pour effectuer des mesures précises. « C'est une chaîne complexe à percevoir pour l'utilisateur », note Guillaume Paillisse, responsable des ventes chez Cognex. Reflets, pollution lumineuse, vibrations sont des conditions pouvant nuire à la qualité d'une image. « Il faut fiabiliser l'éclairage et l'environnement mécanique , explique Véronique Newland (NewVision Technology). Cela fait partie du travail de l'intégrateur de prendre en compte toutes les perturbations possibles liées àl'envi-ronnement ».

De l'éclairage au logiciel, la qualité des mesures implique toute une chaîne, dans laquelle de nombreux paramètres entrent en jeu.

« Plus on recherche une mesure dimensionnelle précise, plus il faudra figer les conditions », ajoute Guillaume Paillisse (Cognex). Cela peut passer par l'amélioration du guidage des pièces, un travail pour éviter les mauvais positionnements pour avoir des pièces bien à plat, et même opérer dans des enceintes climatisées pour éviter les déformations liées à la température.

Afin d'éviter de fausser la mesure, le système de vision peut nécessiter des objectifs et éclairages spécifiques. « Les éclairages collimatés fournissent une lumière de bien meilleure qualité, assure Guillaume Paillisse. Tous les rayons lumineux en sortent parallèles les uns par rapport aux autres. Cela réduit les réflexions sur les bords des pièces et élimine une partie de l'imprécision de la mesure. » L'éclairage nécessite une véri-tableexpertise.Rétro-éclairage ou éclairage direct, taille, zone à éclairer: de nombreux paramètres entrent en compte. « Un mauvais éclairage peut polluer l'image, provoquer un effet d'éblouissement, détaille Florent Poitrine (Sick). Les bords d'une pièce peuvent ne pas être assez marqués, rendant une mesure correcte impossible. » Ce paramètre évolue, notamment sur les caméras où l'éclairage est intégré : « Nous faisons en sorte d'améliorer la formation de l'image grâce à un meilleur éclairage embarqué, plus polyvalent », indique Guillaume Paillisse (Cognex).

De même, les objectifs télécentriques permettent d'éviter la déformation de l'image: « La lumière arrive parallèle au plan du capteur, explique Florent Poitrine (Sick). Ce sont de gros objectifs, puisque tous les pixels doivent être dans le cercle de l'optique. » « Ce type d'objectifs est indispensable pour faire de la mesure dimensionnelle précise », estime Guillaume Paillisse (Cognex). « Les objectifs industriels disposent aujourd'hui d'une plus grande facilité d'intégration.Ils répondent à toute une palette de caractéristiques, en termes de distance ou d'angle de vue », constate Véronique Newland (NewVisionTechnology).

Les objectifs dédiés à l'industrie sont soumis à des contraintes spécifiques, comme la possibilité d'installer des vis de serrage pour éviter des problèmes liés aux vibrations. Mais les catalogues des fabricants spécialisés s'étoffent. « Avant, il nous fallait passer par le monde de la photographie argentique pour avoir des objectifs de bonne taille, rappelleVéronique Newland. Or, dans ce domaine, les appareils sont très automatisés,cela peut être perturbant pour une application industrielle où l'on a besoin d'un réglage fixe ».

Intelligence embarquée

Les caméras intelligentes intègrent des fonctions de mesure. Elles conviennent aux applications simples, qui ne sont pas trop gourmandes en termes de calcul.

Après la partie matérielle viennent les outils logiciels. Là encore, beaucoup de choses sont possibles: « On mesure de façon plus précise avec un pied à coulisse qu'avec un mètre ruban.Il en va de même avec les logiciels », illustre Guillaume Paillisse (Cognex). Il existe des fonctions basiques comme des logiciels plus poussés pour les applications nécessitant la plus grande précision. Les applications les plus simples peuvent être mises au point à partir de caméras intelligentes, sur lesquelles le traitement est embarqué. « Les caméras intelligentes sont une solution très simple,notamment pour les personnes qui ne savent pas développer », note Florent Poitrine (Sick).

Le fabricant embarque par exemple des environnements d'exécution Halcon, permettant d'utiliser les bibliothèques de ce spécialiste de la vision. « Cela permet d'utiliser des outils simples, par exemple pour trouver un trou,mesurer son diamètre ou rechercher les bords d'une pièce », précise-t-il. « L'intérêt des caméras intelligentes, c'est leur compacité, estime Véronique Newland (NewVisionTechnology). Par rapport à un système sur PC,elles sont limitées en temps de traitement et en nombre de fonctions exploitables simultanément. Mais, pour une application peu demandeuse de ces performances, avec des contraintes d'espace comme sur une ligne déjà montée, c'est une solution efficace. » Pour obtenir des fonctions plus poussées, ou plus précises, il faut mobiliser plus de ressources de calcul: mieux vaut alors se tourner vers des solutions sur PC ou FPGA.

Pour effectuer des mesures dimensionnelles, la vision présente un avantage: « Contrairement à un système laser ou à une pointe de touche,la vision permet de moyenner une mesure sur plusieurs milliers de points, plutôt que sur un point de chaque côté de la bordure, explique Guillaume Paillisse (Cognex). À partir d'une seule image,on est capable de mesurer plusieurs cotes, des angles et des références par rapport à des points théoriques, qui n'existent pas sur la pièce. » Les fonctions utilisées pour la mesure dimensionnelle sont « relativement standard , note Véronique Newland (NewVisionTechnology). Mais leurs performances progressent, comme la taille des images qu'il est possible de traiter ».

Cependant, il peut dans certains cas être nécessaire de développer une application spécifique. Généralement, celle-ci sera construite à partir de bibliothèques de fonctions existantes. « Nous avons créé un démonstrateur effectuant de l'extraction de particules, illustre Antonin Goude (National Instruments). Il s'agissait de localiser et compter des particules minuscules, tout en tenant compte de la viscosité du liquide. Une partie de notre bibliothèque de fonctions est optimisée pour cela. » Développer une application nécessite des compétences particulières : cette tâche est souvent confiée à un intégrateur.

Les bibliothèques de fonctions sont régulièrement mises à jour : « Chaque année,nous ajoutons des fonctions à notre plateforme LabView, et nous les optimisons en termes de calcul », explique Antonin Goude. Le module de National Instruments dédié à la vision compte des bibliothèques de fonctions pour CPU ou FPGA. « Nous faisons en sorte d'étendre le support de ces fonctions à d'autres langages,ainsi nous proposons des interfaces de développement pour C ou C++, utilisés par la plupart des développeurs, ou encore la possibilité de supporter des bibliothèques OpenCV (Open ComputerVision)», poursuit-il. Gagner du temps sur le développement d'un projet est aussi un axe d'amélioration important : « Nous proposons un système de prototypage de l'algorithme de traitement d'image,avec une génération rapide du code », précise Antonin Goude.

L'autre bout de la chaîne entre aussi en ligne de compte: il faut aussi simplifier la vie à l'utilisateur de l'application. Là encore, les améliorations sont régu-lières. « Il est possible de personnaliser des logiciels orientés vers la mesure, indique Guillaume Paillisse (Cognex). L'ergonomie de la solution est un point important pour l'opérateur, il faut donc penser à l'interface homme-machine pour rendre l'application simple. » Cela peut se traduire par exemple par l'usage d'un écran tactile, sur lequel il suffit de cliquer sur l'image pour obtenir la mesure de la distance entre deux points.

Mesurer en 3D

Depuis une vingtaine d'années,la vision ne se limite plus à deux dimensions. La 3D se développe, donnant accès à de nouvelles fonctions. Et cela est vrai également pour les applications de mesure dimensionnelle: ajouter une troisième dimension permet d'effectuer des mesures sur un nouvel axe. Le principe: une raie laser éclaire la pièce à mesurer, et un capteur de vision observe la déformation de la lumière à sa surface. Chaque tir laser donne une vue du profil d'une tranche de la pièce, et la succession des tranches permet de balayer l'ensemble de la pièce. « Il est possible d'avoir une précision jusqu'au micron sur l'axe de la hauteur », indique Guillaume Paillisse.

De nouveaux produits dotés de cette fonction sont apparus sur le marché: « Les capteurs de vision 3D intégrés n'existaient pas il y a encore quelques années, rappelle Florent Poitrine (Sick). Il fallait utiliser une caméra avec une raie laser,intégrée ou pas, mais derrière il fallait tout programmer. » Aujourd'hui, les fabricants proposent des systèmes avec intelligence embarquée, tout comme les caméras 2D. « Nous proposons un capteur de vision qui embarque des fonctions de mesure, continue Florent Poitrine. Raie laser, caméra 2D et fonctions de traitement sont intégrées dans un même boîtier.Cela permet de découper l'image par tranches et d'effectuer des mesures. » L'image s'affiche en 3D, et différents outils permettent de mesurer une hauteur, la position d'un cercle ou encore la distance entre deux points. « Un automaticien peut faire fonctionner le système assez vite », précise Florent Poitrine (Sick).

Certains fabricants se sont spécialisés dans les machines de mesure dimensionnelle par analyse d'image clés en main. Il s'agit souvent de sociétés spécialisées dans la mesure dimensionnelle, à l'image du japonais Mitutoyo.

« Ce qui est intéressant avec la 3D,c'est l'évolution de la résolution, qui nous permet d'obtenir toujours plus de précision sur des dispositifs de triangulation laser », témoigne Véronique Newland (New Vision Technology). La puissance de calcul nécessaire augmente également: « L'offre 3D est embarquée sur des contrôleurs plus puissants, car il est possible de placer les têtes de lecture selon une diversité de position infinie »,note Guillaume Paillisse (Cognex). Plusieurs capteurs 3D peuvent même être combinés pour répondre aux besoins de certaines applications. « Pour mesurer une épaisseur, deux têtes en vis-à-vis permettent de voir les deux côtés d'une pièce, illustre Guillaume Paillisse. Des profilomètres peuvent être installés têtebêche, pour supprimer les ombres de chaque profil, en scannant les pièces une fois dans chaque sens.Il est même possible d'en installer jusqu'à une dizaine pour obtenir une image à 360°,et mesurer des cotes avec une très bonne précision. » Pour cela, les profilomètres peuvent travailler de manière collaborative, ce qui évite d'effectuer un calibrage tête par tête.

« Contrairement aux mesures dimensionnelles mécaniques, la vision doit pouvoir travailler sur n'importe quel type de pièce. La profilométrie apporte pour cela un gros bénéfice », continue Guillaume Paillisse. Ainsi, les contraintes liées au guidage et au positionnement des pièces sont éliminées: la pièce peut être déplacée dans une certaine plage de mesure, sans que cela affecte sa détection. « Les capteurs sont déjà calibrés pour le déplacement des pièces ,pré-cise-t-il. L'observation en 3D rend l'image plus compréhensible ».

« Beaucoup de développements logiciels pour la vision 3D sont demandés par les clients », explique Guillaume Paillisse. Pour Cognex, le sujet aura une place importante à l'avenir: « Nous avons racheté l'année dernière trois sociétés ayant développé des briques logicielles ou des systèmes d'acquisition d'image pour la 3D.Nous voulons proposer une offre matérielle et logicielle la plus complète possible, avec des solutions qui ne soient pas réservées aux experts », affirme-t-il. Cela passe par la simplification des systèmes de vision, notamment via une assistance au paramétrage. Mais aussi par un travail de pédagogie auprès des utilisateurs, afin de montrer l'intérêt de la 3D, notamment en termes de mesure.

Des machines de mesure par vision clés en main

A noter, pour conclure, que certains fabricants se sont spécialisés dans les machines de mesure dimensionnelle par analyse d'image clés en main. Il s'agit souvent de sociétés spécialisées dans la mesure dimensionnelle au sens large du terme, comme par exemple le japonais Mitutoyo. Ces machines in-tègrent généralement un capteur de vision couleur haute résolution en technologie CCD ou Cmos, un système d'éclairage sophistiqué permettant de visualiser efficacement de faibles contrastes ou des arêtes peu prononcées (par exemple: éclairage annulaire sectorisé en plusieurs quartiers, éclairage en lumière blanche ou à Led couleur, etc.), une tourelle motorisée programmable permettant d'indexer le zoom optique de la machine sur plusieurs positions possibles en fonction de la plage de mesure en X,Y, Z choisie, une plateforme porte échantillons, elle aussi motorisée, dont la taille dépend de la plage de mesure de la machine, et un logiciel spécifique de pilotage de la machine et de traitement d'images. Ces machines sont bien souvent disponibles en versions automatisées, dont tous les axes sont motorisés en mode CNC (commande numérique par calculateur). Mitutoyo dispose par exemple d'une gamme allant des machines Quick Scope destinées à des mesures unitaires ou de petites séries, à des modèles haut de gamme QuickVision Apex dotés d'une plus grande plage de mesure pour contrôler la forme et les dimensions de plus grandes séries de produits, en passant par des solutions intermédiaires avec les machines QuickVision Active. Les plages de mesure vont de 200 x 250 x 100 mm à 600x650x250mm selon les modèles. En matière de logiciel de traitement d'image, force est de constater que les fabricants de ces machines font tout pour faciliter la vie des utilisateurs et leur faire gagner du temps en misant sur la simplicité d'utilisation, l'ergonomie de l'interface et l'ajout de fonctions spécifiques. Sur ce dernier point, Mitutoyo a par exemple développé des outils «1x clic» sur son logiciel QSPAK. Cette fonction permet, d'un simple clic à proximité de l'arête de la pièce à inspecter, d'exécuter l'ouverture de l'outil de détection, son dimensionnement, sa position et le réglage des seuils, réduisant ainsi le temps de programmation par l'opérateur.« Dans une application multi-utilisateur, ces critères de simplicité et d'ergonomie sont au moins aussi importants que les critères de performances pures », affirme Stéphane Yris, responsable produits en charge des machines de vision chez Mitutoyo France.