Applications de vision - Exemples d'application dans de nombreuses industries

La vision industrielle côté pratique

Exemples d'application et références clients

Un rempart dans les cages

juin 2018

Messi et Neymar ont déjà défié ce gardien de but bien particulier, en vain. Lors de séances de tirs au but avec des stars mondiales du foot, il déjoue toutes les astuces et ne laisse rien passer. Ce surdoué des cages n’est pourtant pas footballeur : il s’agit du RoboKeeper, le goal qui pourrait être le plus rapide au monde.

Un coup de sifflet, un penalty, une montée d’adrénaline : la séance de tirs au but est souvent décisive pour l’issue du match et exige des nerfs solides. Le RoboKeeper, lui, reste de marbre ; des nerfs, il n’en a pas. Développé par l'Institut Fraunhofer IML (flux de matériel et logistique) de Dortmund, ce robot sort presque toujours vainqueur des duels aux tirs au but qu’on lui impose avec des footballeurs de tous niveaux.

Le RoboKeeper atteint la position défensive idéale en 300 ms, c’est-à-dire plus vite qu’un ballon lancé à pleine vitesse.
Source : 4attention

Le tireur de penalty place le ballon à 9 mètres au lieu de 11 ; les cages mesurent 2 mètres sur 4.
Source : 4attention

Lancé en 2005, ce projet de robot fonctionne dans des conditions légèrement différentes de celles d'un vrai match de foot : le tireur place le ballon à 9 mètres au lieu de 11 et les cages mesurent 2 mètres sur 4. Au centre, le RoboKeeper, est un système conçu pour un haut niveau de performance, comme l'explique Thomas Albrecht, chercheur à l’institut Fraunhofer IML et chef de projet du Robokeeper 4attention : « L'objectif ultime du projet était de pouvoir stopper le ballon, lancé à plus de 100 km/h directement dans l’un des coins inférieurs des cages, à gauche ou à droite. Ces coins sont en effet les points les plus éloignés du gardien de but qui, au moment du tir, est debout au milieu des cages. À une telle vitesse, le temps de vol du ballon est d'environ 360 ms, peut-être un peu plus, car le ballon ne conserve pas une vitesse constante de 100 km/h sur toute la trajectoire. Pendant ce laps de temps, la trajectoire possible et le point d'impact du ballon dans les buts doivent être calculés, et le gardien doit effectuer son mouvement complet, avec des phases d'accélération et de freinage. Tout cela afin d’éviter un but. »

Les exigences de précision sont ici de l'ordre du centimètre, car la figure représentant le gardien de but ne doit pas retenir le ballon, mais juste le toucher : « Le RoboKeeper doit simplement toucher le ballon pour le dévier et éviter qu’il n’entre dans les cages », précise M. Albrecht.

Une vision industrielle ultra rapide

Pour répondre à ces exigences, les développeurs de l'institut Fraunhofer IML ont misé sur un système rapide de vision industrielle qui « donne des yeux » au RoboKeeper. Deux caméras matricielles couleur Allied Vision de type Prosilica GC655C avec une interface Gigabit-Ethernet et une résolution de 659 x 493 pixels sont fixées au-dessus des buts, de chaque côté. Elles détectent le ballon qui contraste avec son environnement de par sa couleur, et suivent sa trajectoire.

Elles enregistrent chacune jusqu'à 90 images par seconde qui sont ensuite évaluées par un logiciel de vision. Développé par le Fraunhofer IML, ce logiciel fonctionne avec un processeur dual core de Kontron. Après l'évaluation de trois images consécutives qui montrent que le mouvement du ballon en direction des buts a été détecté, les premières données sont transmises au système qui déplace le RoboKeeper. Et celui-ci positionne le gardien robot dans la position adéquate.

Tout se joue ainsi en quelques fractions de seconde : grâce au moteur ultra performant, le RoboKeeper atteint la position calculée par le système en 300 ms, c’est-à-dire plus vite qu’un ballon lancé à pleine vitesse. Son taux d’accélération est presque 20 fois supérieur à celui d'une voiture de formule 1, de quoi faire hésiter les tireurs les plus expérimentés. Et pour conserver tout le plaisir du jeu, le système possède sept niveaux de difficulté différents pour s’adapter aux joueurs. Chaque participant a ainsi une chance réelle de battre ce gardien robot.

« Le défi majeur de ce projet reposait avant tout sur le fait qu’en utilisation extérieure, la lumière du soleil et donc l’intensité lumineuse varient considérablement, de façon subite ou progressivement tout au long de la journée », précise Tim Ulrich, l’un des fondateur et directeur de l‘agence de maketing sportif 4attention. Cette difficulté a été résolue avec des caméras dotées d'une commande automatique du diaphragme et d'un objectif motorisé, commandé par signal vidéo. Les objectifs utilisés sont de type CVO GAT23516AC de Goyo Optical. Avec une distance focale de 3,5 mm, ces objectifs disposent d’un angle de vue suffisemment grand pour garantir la détection correcte du ballon sur toute sa trajectoire. L’association de ces objectifs aux caméras Prosilica a été un facteur décisif de réussite du système.

La configuration de vision industrielle choisie pour cette application se compose de deux caméras, équipées de leur objectif motorisé, et de câbles. L’institut Fraunhofer IML s'est procuré ce matériel auprès des experts en vision industrielle de STEMMER IMAGING, à Puchheim (Allemagne).

« Initialement, le système utilisait des caméras d'une autre marque, avec l'interface FireWire », se souvient M. Ulrich. « Cependant, elles n’ont pas fait leurs preuves sur le terrrain, les conditions extérieures étant trop rudes. Les caméras ont commencé à développer des problèmes d’ordre mécanique et de compatibilité électromagnétique. Nous avons alors cherché des caméras Gigabit à commande de diaphragme motorisée. C’est ainsi que l’IML a trouvé les produits STEMMER IMAGING qui fonctionnent parfaitement pour cette application exigente. »

Deux caméras Gigabit-Ethernet sont fixées au-dessus des buts, de chaque côté, et suivent la trajectoire du ballon. Image source : 4attention

En tournée dans le monde entier

Depuis 2007, l'agence de marketing sportif de Cologne 4attention parcourt le monde avec son RoboKeeper, louant entre autres son système pour l’animation d’événements sportifs. La Coupe du monde de football 2018 ne sera bien sûr pas en reste, avec une animation prévue sur la Place Rouge de Moscou. Le robot existe en 36 exemplaires, avec différentes versions : outre le système décrit plus haut, l’institut a également développé une version plus petite, avec distance de tir et dimensions de but réduites. Il existe également des variantes pour le hockey et le handball.

Les exigences imposées par ces derniers systèmes sont différentes de celles du RoboKeeper, explique Timm Ulrich : « Pour le handball, la distance de tir et la vitesse de la balle sont plus faibles, et ses dimensions sont légèrement plus petites que pour le foot, mais en gros, les conditions sont similaires à celles du système RoboKeeper. Pour le hockey sur gazon, les exigences sont plus strictes, car la balle est beaucoup plus petite. Mais c'est encore la variante pour le hockey sur glace qui s'avère plus complexe, car le palet est nettement plus petit et rapide qu’un ballon de foot ou de hand, et il n'est pas sphérique. Lors de son vol, le palet ne présente pas de position stable en général, il tourne dans l'air. Du point de vue de la caméra, la cible bouge constamment et présente des dimensions variables. »

Les développeurs de l'institut Fraunhofer IML ont parfaitement répondu à cette complexité du système de hockey sur glace, avec des caméras à plus haute résolution et un débit d'image plus élevé. Le matériel provient également de STEMMER IMAGING.

Les caméras Prosilica GC655C ont été ici remplacées par deux caméras Gigabit-Ethernet de type Prosilica GC780 à résolution plus élevée (782 x 582 pixels) possédant le même objectif. Si la coupe du monde de tirs au but existait, le système RoboKeeper serait certainement le concurrent le plus redoutable de cette compétition.

Bref portrait

4attentionFondée en 2002, 4attention est une agence de marketing sportif qui propose ses services dans les domaines de la communication en direct, du sponsoring et de l'animation, le tout au service du sport. La commercialisation du RoboKeepers est devenue le pilier majeur de l'entreprise.

Fraunhofer IMLL' institut Fraunhofer IML est situé à Dortmund. Il fait partie des 66 instituts qui composent la société Fraunhofer (Fraunhofer-Gesellschaft) et s'occupe de toutes les questions de logistique. Les techniques d’automatisation s’y sont fortement répandues pour la gestion des tâches de nombreux projets de recherche et de développement. Le personnel dispose ainsi d'un savoir-faire étendu dans ce domaine, notamment pour le traitement rapide (stéréoscopique) de l'image, les systèmes de transmision haut-débit de haute précision ainsi que les techniques de commande à distance et de réglage en général. Ils gèrent ces techniques avec succès également dans des conditions d’exploitation rudes et délicates.

Allied Vision

Stadtroda, Germany

Allied Vision Technologies GmbH développe et fabrique des caméras et des composants destinés à des applications de vision industrielle et scientifique. Grâce à ses produits innovants et à son exigence de qualité irréprochable, la société est devenue en quelques années un fournisseur leader de solutions de caméras numériques pour l'industrie et les sciences.

Allied Vision Prosilica GC - Caméras à balayage progressif CCD
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