Vision conoscopique 3D : Calibration et reconstruction

Industrial metrology is a key challenge in all fields of activity when an accurate dimensional control is required to guarantee norm adequacy of product specifications and to aim at ``zero default'' quality. Current systems are based on such technologies as stereoscopy, photogrammetry, structured light projection, active triangulation or time-of-fly methods. In general, these systems are task-specific, bulky, fragile and cannot operate in hostile environments. Moreover, they suffer from a geometrical limitation because of a death angle in which no measurement can be performed.In this thesis, a new probe, called conoscopic scanner and based on the use of spatially incoherent light, is presented. It offers such unique features as (i) ability to provide extremely accurate estimates of shape profiles at a variety of scales ranging from the microscopic to the macroscopic domain, (ii) efficiency in any -even hostile- environment, (iii) compacity and reduced dimensions.Based on conoscopy principles, and therefore relying on crystal birefringence properties, the conoscopic scanner comprises a Coupled Charge Device (CCD) camera, a conoscopic kernel and an information processing unit. In order to achieve demanding performance specifications that require a millionth of millimeter accuracy in 3D measurements, every component in the measurement chain has to be precisely analyzed and characterized. Within this framework, calibration issues prove to be crucial.A calibration method for the CCD camera has been first developed. Based on landmark registration using a pinhole viewing model that combines intrinsic and extrinsic camera parameters, it results in a 1.5% of field of view accuracy. In a second step, two calibration methods for the conoscopic device, adapted to specific configurations of the conoscopic scanner, have been proposed. In the first one, depth estimates are obtained through a direct analytic phase computation using standard optics and crystal biregringence equations. In the second one, phase is related to fringe patterns. Depth measurements are then obtained by applying a fringe counting method to the digitized hologram and using experimental material-specific calibration curves. These curves take into account temperature and lighting variations and integrate an acquisition noise global modelling. Extensive tests, performed both on simple geometric profiles (crenel, staircase...) and on real 3D objects, have demonstrated similar performances for the two methods, namely a 1.5% of field of view accuracy.Having established the technological feasibility of system specifications by means of adequate calibration procedures, we have developed two different configurations of the conoscopic scanner, called fix-probe and scan-probe and adapted to small and large size objects, respectively. Their performance on different diffusive and awkward materials have been analyzed, demonstrating a one thousandth of the analyzing field measurement accuracy.The various contributions of this thesis have been integrated to the currently developed conoscopic system, which is today available and operating in industrial and medical applications.La métrologie industrielle est l'un des enjeux actuels de tous les secteurs d'activité qui nécessitent de réaliser un contrôle dimensionnel précis de produits afin de garantir des spécificités conformes aux normes et de tendre vers une qualité ``zéro défaut''. Les systèmes actuels utilisés s'appuient sur des technologies fondées sur la stéréométrie, la photogrammétrie, la projection de lumière structurée, la triangulation active ou le temps de vol. En général non polyvalents, encombrants, fragiles et ne pouvant s'adapter à des environnements hostiles, ces systèmes souffrent d'une limitation géométrique en raison de l'existence d'un angle mort dans lequel aucune mesure ne peut être réalisée.Dans cette thèse, nous proposons un nouveau capteur, le scanner conoscopique, capable d'effectuer des mesures dans les domaines macroscopiques et microscopiques, fonctionnant dans n'importe quel environnement, même hostile, très compact et utilisant de la lumière spatialement incohérente.Exploitant le principe de la conoscopie et donc des propriétés de biréfringence des cristaux, le scanner conoscopique est composé d'une caméra à couplage de charges (CCD), d'un système conoscopique et d'une unité de traitement de l'information. A partir des spécifications de ses performances en terme de précision au millième de millimètre sur les mesures 3D, nous avons été conduit à analyser et caractériser chaque élément de la chaîne de mesure dont la calibration est l'étape fondamentale.Nous avons tout d'abord développé une technique de calibration de la caméra à couplage de charges (CCD) à partir d'un modèle sténopé qui combine les paramètres intrinsèques et extrinsèques et exploitant les points d'amers. Nous avons abouti à une précision de 1.5% du champ d'analyse. Ensuite, nous avons proposé deux méthodes de calibration du système conoscopique, l'une analytique par calcul direct de la phase et exploitant les équations de l'optique et de la biréfringence des cristaux, l'autre expérimentale par dénombrement des franges d'interférence et s'appuyant sur la connaissance d'abaques incluant la variation de température, d'éclairement, la nature des matériaux et intégrant une modélisation globale du bruit d'acquisition. La validation expérimentale réalisée d'une part sur des profils géométriques simples (créneaux, escaliers...) et d'autre part sur des objets 3D réels a permis d'établir que la précision de mesure est de 1.5% du champ d'analyse.Ayant établi la faisabilité technologique de la calibration du système qui permet de garantir les spécifications souhaitées, nous nous sommes plus particulièrement interessé à deux configurations du scanner conoscopique : fixe et à balayage, dont nous avons analysé les performances sur des objets diffusifs pour des formes et des matériaux différents. Nous avons établi que la précision des mesures est de l'ordre du millième du champ de mesure.L'ensemble des contributions de cette thèse est intégré au système actuellement développé qui est par ailleurs commercialisé et utilisé dans des applications industrielles et médicales