Mesure, Modélisation et Pilotage de l’APparence des états de SUrfaces tridimensionnels – NAPS

La maîtrise de la fonction aspect des surfaces manufacturées, c'est-à-dire l'objectivation et le pilotage d'une information subjective via des processus industriels, est un défi scientifique et technique. La perception visuelle des surfaces est un processus complexe et inconscient, influencé par nos connaissances, expériences, objectifs et émotions. Cependant, l'apparence relève également de notions sensorielles liées à des axes métrologiques et physiques, nécessitant une compréhension profonde des interactions multi-physiques et multi-échelles.

Une première approche, géométrique, consiste à modéliser le comportement visuel à partir de la mesure de l'information tridimensionnelle des surfaces à l'échelle de la micro-géométrie, en utilisant des modèles physiques ou géométriques. Cependant, cette approche nécessite une résolution de mesure spatiale et verticale très fine, ce qui induit un temps de mesure, de traitement et d'analyse des données souvent prohibitif dans un contexte industriel.

Une seconde approche, photométrique, modélise le comportement visuel à partir de la mesure d'attributs physiques de l'apparence liés à la réémission lumineuse. La technique la plus exhaustive est la détermination de la fonction de répartition bidirectionnelle de reflectance (BRDF), mais elle est coûteuse en temps et inadaptée à l'inspection industrielle. Des méthodes basées sur des restrictions du modèle global de la BRDF ont été initiées, mais elles sont associées à une hypothèse d'homogénéité de comportement inappropriée pour l'inspection.

Le projet NAPS propose une méthode locale, basée sur la technique Reflectance Transformation Imaging (RTI), qui réduit le modèle global de la BRDF à la composante angulaire et spectrale de la réflectance. Les défis de cette approche incluent la mesure des attributs d'apparence à l'échelle des états de surface manufacturés, la modélisation de l'information d'apparence, la caractérisation et la qualification de l'aspect d'un état de surface, et l'établissement de corrélations entre le processus et la fonctionnalité. Le projet NAPS a été structuré autour de ces défis, avec un défi transversal lié au choix et à la détermination des échelles pertinentes, visant à apporter des réponses tant sur le plan instrumental que méthodologique.

Dans le cadre du projet, l’axe choisi a été de se focaliser sur la composante de reflectance angulaire, qui est essentielle pour l’inspection des surfaces et notamment l’évaluation des anomalies d’aspect locales. La technique mise en œuvre est appelée Reflectance Transformation Imaging (RTI). Il a été montré comment cette technique peut être mise en œuvre pour numériser de façon métrologique l’information et comment elle peut permettre de modéliser la reflectance angulaire locale des surfaces, et ainsi extraire des informations objectives pertinentes pour un pilotage performant de l’apparence des états de surface manufacturés. Un système de numérisation de l’apparence innovant basé sur la technique RTI à l’échelle des états de surface a été développé. Ce dispositif intègre l’ensemble des méthodes développées lors du projet NAPS, et notamment le couplage des techniques d’imagerie RTI et High Dynamic Range. L’information ainsi numérisée permet de discriminer les comportements locaux en termes d’apparence sur les surfaces inspectées, notamment à l’endroit des anomalies (évaluation de la criticité). Un processus de valorisation industrielle a été engagé en suite de ce projet avec des partenaires industriels du tissu national.

Une collaboration a été formalisée avec un fabricant français d’instruments de métrologie d’états de surface (Altimet) dans le but d’industrialiser la fabrication du dispositif, et de le commercialiser (une entité déjà vendue, en cours d’assemblage). Les perspectives en termes de développement industriel de ces travaux sont donc tout à fait tangibles et prometteuses.

Les aspects scientifiques liés à la fonctionnalisation, c’est la dire la mise en œuvre de méthodes statistiques d’analyse de pertinence permettant de lié les données mesurées aux caractéristiques d’apparence locale des surfaces ont aussi peu être mis en œuvre avec des résultats significatifs, les résultats positifs obtenus en première approche ouvrant des perspectives très positives de poursuite de ces travaux, avec notamment l’opportunité de mettre en œuvre uns approche de type apprentissage profond pour lier les données obtenus aux paramètres comportementaux des surfaces.

Nurit, M.; Le Goïc, G.; Lewis, D.; Castro, Y.; Zendagui, A.; et al. HD-RTI: an adaptive multi-light imaging approach for the quality assessment of manufactured surfaces. Computers in Industry. 2021, 132, 103500.

Castro, Y.; Nurit, M.; Pitard, G.; Zendagui, A.; Le Goïc, G.; et al. Calibration of spatial distribution of light sources in reflectance transformation imaging based on adaptive local density estimation. Journal of Electronic Imaging. 2020, 29(04), 1.

Zendagui, A.; Thomas, J.-B.; Le Goïc, G.; et al. Quality assessment of reconstruction and relighting from RTI images: application to manufactured surfaces. 2019 15th International Conference on Signal-Image Technology & Internet-Based Systems (SITIS), Sorrento, Italy. 2019, 746-753.

Nurit, M.; et al. Improved visual saliency estimation on manufactured surfaces using high-dynamic reflectance transformation imaging. Fifteenth International Conference on Quality Control by Artificial Vision, May 2021, Tokushima, Japan. 2021, 51.

La maîtrise de la perception visuelle des surfaces des produits manufacturés est un enjeu central pour l'industrie de demain, et de nombreux défis scientifiques associés sont à relever, dont celui, multifactoriel, de la numérisation de l'apparence des états de surfaces :
(I) Comment mesurer les attributs d'apparence des surfaces, et qualifier l'aspect d'un état de surface à partir d'indicateurs objectifs et répétables (II) Comment modéliser l’information d’apparence des surfaces, et particulièrement passer d’une mesure discrète à une estimation/modélisation continue de l’information (III) Comment établir la(les) corrélation(s) avec la fonctionnalité, c’est à dire dans ce cas la corrélation entre des indicateurs objectifs d'état de surface géométriques et la qualité d'aspect des surfaces inspecte´es.
Le projet NAPS est structuré autour de ces trois verrous. Il ambitionne d’apporter des réponses tant sur le plan instrumental, par la poursuite de développements d'un dispositif de mesure d'attributs de l'apparence innovant, que sur le plan méthodologique, par le développement et la mise en œuvre de méthodes permettant une modélisation fidèle et performante de l’information d’apparence des surfaces, et permettant la formalisation du lien fonctionnel entre la micro- géométrie d’une surface et son comportement visuel.
Sur le plan technique, des recherches préliminaires ont été préalablement mises en œuvre afin de construire ce projet et les résultats prometteurs obtenus montrent la validité des hypothèses réalisées sur les aspects instrumentaux (numérisation de l’apparence) et méthodes (modélisation et corrélation fonctionnelle). Ce projet se situe à la convergence des domaines du Génie industriel (Mécanique, Métrologie, qualité) et du domaine de l’imagerie (acquisition et traitement). L’interdisciplinarité est un marqueur fort de cette proposition, qui doit se traduire à notre sens par un levier d’innovation et de valeur ajoutée important sur le plan scientifique et industriel. De plus, la mise en convergence des domaines de la Mécanique/Métrologie et de l’image pourra aussi permettre d’impulser en interne le développement de cette thématique encore émergente au laboratoire.
Le programme de recherche du projet NAPS s’échelonne sur 42 mois, et est articule´ autour du coordinateur scientifique (Gaëtan Le Goïc, Maitre de conférences - porteur JCJC du projet), de 6 chercheurs du laboratoire Le2i (3 PR, 3MCF et 1 IE CNRS) et de deux recrutements non permanents (un doctorant -36 mois- et un post-doctorat -12 mois-).