Robust visual measurement with large range to resolution ratio of 3D pose of encoded periodic patterns : applications to microrobotics
Mesure visuelle robuste à grands rapports plage sur résolution de la pose 3D de mires périodiques codées : applications à la microrobotique
Résumé
Pose measurement at the microscale is a major challenge with multiple applications in the microrobotics field where high resolution sensors are expected. At a macroscopic scale, computer vision allows the 3D pose measurement of objects with great resolution and robustness. However, as the size of observed objects decreases, the problems inherent to microscopy such as short depth of focus, small field of view or microscope objectives orthographic projection imply a better structuration of objects of interest.This thesis tackles this problematic with the use of periodic patterns. The structured redundancy of information contained in these ones allow resolution up to one thousands of a pixel by using the phase of these patterns. The inherent problem of the range of measure reduced to the microscope's field of view is solved by integrating a binary sequence without inducing phase disturbances, preserving the resolution capabilities of the method. Resulting pseudo-periodic pattern provides a range of measure of 10^5 x 10^5 px².By relying on local phase-based thresholds, the method demonstrates a great robustness against various noises, occultations, defocus and makes this method appropriate for the microrobotics field of application.this method has been validated by multiple experiments demonstrating a planar resolution of 1 nm in translation on a 10 x 10 cm² range and a 4.5 µrad. resolution in orientation over 2pi rad. Measure of out-of-plane orientations show a resolution of 100 µrad. in a [-pi/8; pi/8] rad. range. Finally, this manuscript presents the use of this pose measurement method in multiple microrobotics applications where a resolute and contactless method is required.
La mesure de pose à l'échelle microscopique est un défi majeur avec de nombreuses applications en microrobotique. À l'échelle macroscopique, la vision par ordinateur permet de mesurer la pose 3D d'objets de manière précise et robuste. Cependant, à mesure que l'échelle se réduit, les problèmes inhérents à la microscopie, tels que la faible profondeur de champ, un champ de vision réduit ou encore la projection orthographique des objectifs de microscopes, impliquent une meilleure structuration de l'objet d'intérêt.Cette thèse aborde cette problématique en utilisant des mires à motifs périodiques. La redondance structurée d'information contenue dans celles-ci permet d'atteindre des résolutions de l'ordre du millième de pixel par la mesure de phase.Le problème inhérent de la plage de mesure réduite au champ de vision du microscope est résolu en insérant une séquence binaire, sans perturbation de phase pour conserver la résolution de la méthode. La mire pseudo-périodique résultante fournit ainsi une mesure sur une plage de 10^5 x 10^5 px².En utilisant un seuillage adaptatif local basé sur l'information de phase, la méthode démontre une grande robustesse au bruit, à l'occultation ainsi qu'aux défauts de mise au point, rendant ainsi la méthode adaptée pour un emploi en microrobotique.Cette méthode a été validée par plusieurs expériences démontrant une résolution planaire de 1 nm en translation sur une plage de 10 x 10 cm² et 4.5 µrad. en orientation sur une rotation de 2pi. La mesure des angles hors-plan atteint une résolution de 100 µrad. sur une plage de [-pi/8; pi/8] rad. Finalement, le mémoire présente l'utilisation de la méthode de mesure dans plusieurs applications de microrobotique où une mesure de pose résolue et sans contact est nécessaire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)