Stéréo-corrélation d’images numériques

La stéréo-corrélation d’images numériques est une technique aujourd’hui largement utilisée dans le domaine de la mise en forme des matériaux, notamment des métaux (essais d’emboutis-sage,...). Elle permet l’analyse de champs de déplacement suivant les 3 directions de l’espace et non uniquement dans un plan.

II.3.2.a Principe

La technique de stéréo-corrélation d’images numériques associe le principe de la vision bi-noculaire d’une même scène, à savoir la mesure d’un objet suivant deux angles différents, au procédé de corrélation d’images tel qu’il a été défini précédemment. La figure II.20 présente le principe de base d’une telle technique. Dans cette configuration, la seule utilisation de la ca-méra de gauche ne permet pas la dissociation des points Q et R puisqu’ils sont situés sur le même rayon de projection (C,p). Il existe alors une infinité de coordonnées 3D pour caractériser ces points. L’introduction de la caméra de droite, avec un angle caractéristique connu entre les deux caméras, permet d’attribuer aux points visés Q et R des coordonnées 3D uniques via respectivement les rayons de projection (C’,q’) et (C’,r’).

Chapitre II. Techniques Expérimentales 

 





 




  


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Figure II.19: Illustrations du procédé de corrélation d’images à partir d’un essai sur une éprouvette de fatigue non-brasée - (a) Image de référence avec ROI - (b) Image déformée à 8500 cycles - (c,d) - Champ de déplacement en pixel suivant l’axe de sollicitation (axe X) - (e,f,g) Champ de déformationXX(%) de type Green-Lagrange après 8500 cycles pour des tailles d’éléments respectivement de 16, 32 et 64 pixels [73].

Chapitre II. Techniques Expérimentales

Figure II.20: Schéma de principe de la vue 3D à partir de deux caméras [79].

Par cette technique, il est possible de calculer les champs de déplacement hors-plan se produi-sant à la surface de nos éprouvettes, mais également de quantifier plus finement les déplacements plans analysés jusqu’à présent par corrélation d’images 2D.

II.3.2.b Dispositif expérimental

Le dispositif de stéréo-corrélation d’images numériques (figure II.21) a été adapté aux essais de fatigue précédemment décrits (figure II.11). En plus du système d’éclairage par fibre optique utilisé en corrélation d’images numériques 2D, celui-ci se compose de deux ensembles optiques identiques de type LIMESS constitués respectivement :

• d’un objectif Nikon possédant une distance focale de 200 mm, une ouverture de dia-phragme f/32 et un champ de vue de 30 x 30 mm2.

• d’une caméra AVT possédant une résolution de 2048 x 2048 pixels2 ce qui induit une résolution d’image de 14,65 μm par pixel.

• d’un système de rotation micrométrique permettant un positionnement optimal des sys-tèmes optiques vis-à-vis de l’éprouvette de fatigue (figure II.21-b).

II.3.2.c Protocole expérimental et traitement des images

Préparation des éprouvettes - Cette étape est strictement identique à celle de corrélation d’images 2D décrite dans le paragraphe II.3.1.c.

Calibration du dispositif - La calibration est l’étape la plus délicate du protocole. Elle régit la précision des calculs de corrélation réalisés par la suite. Elle consiste à déterminer la relation reliant la position de chacune des caméras dans le but d’obtenir une vue tri-dimensionnelle de la zone d’étude. Cette étape s’effectue à l’aide d’une mire (figure II.21-a) dont les caractéristiques principales (nombre de points, espacement des points entre eux) sont connues par le logiciel Vic 3D spécialement conçu à cet effet. La mire comprend, entre autres, trois points spécifiques se démarquant des autres par leur fond blanc. Ces derniers permettent de caractériser le repère fixe lié à la mire. Afin de réaliser une calibration aussi fine que possible, il convient d’acquérir des paires d’images de la mire dans une quinzaine de positions différentes de l’espace et ce, afin de

Chapitre II. Techniques Expérimentales Eprouvette de fatigue Système d’éclairage Objectif Caméra CCD Platine de rotation Mire Z Y X a) b)

Figure II.21: a) Mire utilisée pour la calibration du dispositif de stéréo-corrélation d’images - b) Dispositif expérimental de stéréo-corrélation d’images numériques utilisé pour le suivi de l’endommagement à la surface des éprouvettes de fatigue

constituer une banque de données suffisantes pour permettre au logiciel la création de la relation liant les positions des caméras.

Acquisition des images - L’acquisition des images est effectuée par l’intermédiaire du logiciel Vic Snap qui contrôle les deux caméras et assure ainsi une parfaite synchronisation des prises de vue. Les paramètres d’acquisition sont les suivants :

• Ta = 10 ms

• Fa = [0,33 - 1] Hz - Les fréquences d’acquisition choisies sont volontairement plus grandes que celles utilisées en corrélation d’images 2D (cf. paragraphe II.3.1.c). Cela per-met une étude plus fine et complémentaire des mécanismes d’endommagement dans les derniers stades de la durée de vie des éprouvettes.

• Lancement des acquisitions - Cette phase est strictement identique à celle de corréla-tion d’images 2D décrite dans le paragraphe II.3.1.c.

Traitement des données - Le traitement des données s’effectue par l’intermédiaire du logiciel Vic 3D. A partir des paires d’images acquises tout au long de l’essai de fatigue, la corrélation de chaque couple d’images permet, en premier lieu, l’obtention d’une vue tridimensionnelle de l’état de surface. Le résultat de ce calcul de corrélation dépend fortement de deux paramètres que sont :

• le subset - Ce dernier correspond à la zone d’étude utilisée pour déterminer la position d’un même point physique entre deux images. Il est fortement lié à la qualité du mouchetis et doit donc être adapté lors du traitement de chaque essai. Plus le mouchetis est fin, plus la taille du subset est petite. De forme carrée, il sera systématiquement compris entre 20 et 30 pixels dans le cadre de ces travaux.

• le step - Ce paramètre définit l’espacement, en pixel, entre les points analysés lors du calcul de corrélation. Ainsi un step d’un pixel engendre un calcul sur chaque pixel de l’aire étudiée. Le temps de calcul est fortement dépendant de ce paramètre puisqu’il est inversement proportionnel à la taille du step au carré. Dans le cadre de ces travaux, il est

Chapitre II. Techniques Expérimentales

compris entre 3 et 5 pixels.

Les figures II.22 - a et b illustrent le résultat d’un calcul de stéréo-corrélation obtenu pour une éprouvette de fatigue²³, pour une taille de subset respective de 20 et 100 pixels, avec une valeur de step fixée à 5 pixels. La figure II.22-a met très nettement en évidence un état de surface moins lissé que pour un subset de plus grande dimension et de fait, une précision plus importante dans la mesure de l’état de surface. A contrario, le calcul se voit entaché d’une plus grande erreur caractérisée par la présence de zones de non-convergence du calcul (zones non colorisées sur la figure II.22-a).

 

 








Figure II.22: Résultats de calculs de stéréo-corrélation illustrant l’impact de la taille de subset sur la visualisation et la quantification de l’état de surface- a) 20 pixels - b) 100 pixels - avec une valeur de step fixée à 5 pixels.

Le traitement des données permet également une visualisation de la déformation à la surface des éprouvettes. Cette dernière sera systématiquement de type Green-Lagrange dans les résultats qui seront présentés car mieux adaptée aux calculs en grandes déformations.