Corrélation d’images numériques, comment choisir votre matériel d’acquisition ?

5 octobre 2018

Nous avons déjà vu ensemble les principes de la Corrélation d’Images Numériques et les avantages de telles mesures. Aujourd’hui, nous allons voir comment choisir son matériel d’acquisition afin qu’il soit adapté aux différents cas d’utilisation rencontrés.

Par matériel d’acquisition, on entend les caméras bien sûr, mais aussi les objectifs, les éclairages, les supports de fixation et le matériel servant à la synchronisation des prises d’images. Il est possible de s’équiper de manière à répondre à une variété de cas d’utilisation.

Le choix de la caméra

Premièrement, avant de choisir un modèle de caméra, il faut déterminer le type d’application envisagés et le phénomène physique que vous souhaitez observer. Vos applications sont-elles principalement des essais quasi-statiques, des essais de fatigue, ou encore des essais d’impact ?

La vitesse de sollicitation nous donne une information sur la vitesse d’évolution de la quantité cinématique mesurée. Plus la pièce se déforme rapidement, plus la fréquence d’acquisition de la caméra doit être élevée afin de pouvoir mesurer l’évolution du déplacement dans ce laps de temps. Comme dans le cadre d’un essai d’impact à l’oiseau où la vitesse d’impact est de l’ordre de 150 m/s, l’utilisation de caméras « rapides » (fréquence allant de 100 à plusieurs milliers d’images par secondes) est nécessaire. Il existe un grand nombre de caméras disponibles sur le marché. Néanmoins, pour la Corrélation d’images numériques, les caméras équipées d’un capteur CCD seront plus adaptées car elles offrent une dynamique élevée et une grande sensibilité.

Le phénomène observé est-il 3D ou 2D ? Si la surface observée se déforme dans les trois directions de l’espace, il faudra une mesure 3D surfacique, et donc deux caméras ou plus observant cette zone de mesure. Si la surface est plane et se déforme dans son plan alors une seule caméra suffit et l’on obtiendra une mesure 2D.

On peut également calculer assez simplement l’incertitude de mesure que l’on peut espérer dans une situation donnée. Par exemple, prenons un cas 2D dans lequel la zone observée fait 200×200 mm² et la caméra a une définition de 4 Mpx (2000×2000 pixels). Quelle que soit la caméra, la Corrélation d’images numériques permet en général d’obtenir une incertitude de mesure inférieure à 0,1 pixel. Cette incertitude dépendra bien sûr des conditions d’essai mais aussi du bruit d’acquisition de la caméra. En appliquant une simple règle de trois, on estime dans ce cas pouvoir atteindre une incertitude de mesure de l’ordre de 0,01mm.

Si on veut diminuer l’incertitude, on pourra donc utiliser une caméra (1) qui présente une définition plus importante : si on augmente le nombre de pixels pour la même zone observée, on diminue la taille « physique » du pixel, et donc l’incertitude diminue.

Néanmoins, plus la taille du capteur augmente, plus la caméra aura d’informations à envoyer au PC pour chaque image, et la fréquence d’acquisition va donc diminuer. Exemple : dans une même gamme on peut retrouver des caméras ayant une définition de 12Mpx permettant une fréquence d’acquisition de 10Hz, ou avec une définition de 0.4Mpx et une fréquence de 270Hz. Ces caméras ont la même bande passante mais ne seront pas utilisées pour les mêmes applications

Le choix de l’objectif

Est-il nécessaire d’observer l’ensemble de la pièce ou de la structure ? Ou bien faut-il se concentrer sur une zone restreinte ? Le choix de l’objectif déterminera la largeur du champ de vision. Les paramètres à prendre en compte sont la distance de travail, la taille de la zone à observer et la taille physique du capteur de la caméra. L’idéal est de choisir un objectif avec la plus grande focale possible, permettant de garantir la distance de travail et la zone à observer. Comme ceci, on limitera également les distorsions optiques de l’objectif.

Si on connaît la distance de travail, la focale à sélectionner peut être calculée directement avec la formule suivante :

avec h la taille du capteur dans la direction horizontale, WD la distance de travail (« Working Distance ») et Horizontal FOV la taille souhaitée de la scène.

Prenons par exemple le cas ci-contre (2) dans lequel on observe une poutre de 2m de large à une distance de travail de 2,5 m. La caméra utilisée a une taille de capteur de 22,5 mm, il faudra donc choisir un objectif de 25 mm [1].

Le choix des éclairages

Pour l’éclairage, il est nécessaire d’avoir une source de lumière uniforme et constante dans le temps afin d’assurer un traitement des images optimal. En effet, comme nous l’avons vu dans les articles précédents, la mesure par Corrélation d’images numériques est basée sur la conservation du niveau de gris entre deux pas de temps de prise d’image. Par conséquent, il est préférable d’avoir une source de lumière éclairant spécifiquement la zone à observer. On utilise classiquement des panneaux de LEDs réglables en puissance. Il faut retenir que plus la fréquence d’acquisition de la caméra est élevée, plus le temps d’exposition est faible et donc plus la source de lumière doit être puissante.

Le choix des supports

Le choix des supports est également important car il est indispensable que la ou les caméras restent fixes au cours de l’essai afin de garantir la qualité de la mesure par Corrélation d’images numériques. Pour une utilisation standard de la Corrélation d’images numériques sur des essais sur éprouvettes (instrumentation sur un essai de traction par exemple), il est généralement conseillé d’utiliser un trépied et de venir fixer deux caméras sur une barre reliée à ce trépied (ci-contre)(3). Cela donne un ensemble rigide permettant de limiter l’encombrement et les mouvements relatifs entre caméras.

Néanmoins, dans le cas d’essais complexes sur structure, l’accès à la zone observée peut être délicat étant donné l’environnement d’essai. Les caméras devront alors être disposées indépendamment les unes des autres soit sur des trépieds séparés ou bien sur un châssis spécifiquement conçu pour la machine d’essai, comme dans l’essai sur la poutre en béton ci-contre.