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Optimisation de l'experience analogique sur les prismes d'accretion

Burzawa Audrey Lanéelle Camille

Projet d'UE stage 3T622 : Janvier 2019 à Avril 2019
Introduction

Dans le cadre d'un stage au laboratoire analogique du Fablab nous travaillons sur des experiences analogiques de prismes d'accretion. L'experience est composée d'une boîte dans laquelle on dépose du sable non coloré d'une certaine épaisseur (échelle centimétrique) et du sable coloré (ici en bleu) sur le bord de la boîte en guise de marqueur. On observe l'évolution du marqueur initialement horizontal au cours de l'avancée de la plaque,que l'on peut traduire géologiquement par des plis et des failles.

Objectifs:

    amélioration de la manipulation(cacher les vis,peindre la plaque, colorer du sable, parois en verre, cale en métal…)
    extraction des données issues de la kinect v2
    utilisation d'un laser plan pour retranscrire la topographie
    mise en place d'une structure solide et pratique pour supporter la kinect, le laser, un appareil photo
    extraire des données des vidéos et des images pour une interprétation géologique


Construction

 __Boîte__

La boite est faite de plexiglas dans laquelle des parois en verre pourrait être mise en place pour éviter les rayures et donc limiter au maximum les effets de frottements et les effets de bords. La boite est pourvu d'une plaque en bois (peinte en noir) reliée à un moteur (avec un couple suffisamment puissant) pour pousser le sable lors des manipulations. Enfin des étiquettes ont été rajoutées pour facilité la manipulation du moteur (marche arrière, marche avant, vitesse)

 __Structure__

L'idée de la structure est d'avoir un support modulable pour placer la kinect ainsi que le laser. Celle-ci est en métal autour de la boîte permettant d'accrocher la kinect à la bonne hauteur pour obtenir une image/une vidéo de l'ensemble de la boite ainsi que le laser placé à un angle de 45° par rapport à la verticale. Une lampe peut aussi etre ajouté pour améliorer la visibilité et limité les ombres mais cela peut engendrer des problèmes de visionnage (différence de fréquences d’émission) lors de l'aquision vidéo.

Pour avoir une image entière de toute la boite il faut placer la kinect sur un support à 1m20 au desssus de celle ci mais comme nous le verrons plus bas pour une question de précision des mesures on placera la kinect à une hauteur de 70cm. Le mieux étant de la placer parallèle à la longueur de la boîte pour limiter les difficultés d'acquisition et les données inutiles.
Manipulations

Tout au long du stage nous avons réalisé diverses manipulations en jouant sur les propriétés du sable (cohesion, coefficient de interne de friction…) les propriétés basales ainsi que l’épaisseur de sable. Nous avons décidé de comparer les effets d'un fort changement de friction basale en plaçant du papier de verre sur le fond de la boite et nous avons réalisé 2 expériences de formation d'un prisme de même hauteur :

    Sable + 15% de farine
    Sable + 15% de farine + papier de verre (grain =100) sur la totalité du fond de la boîte

Pour chaque manipulation, il faut déposer le sable sur une hauteur de 3cm en plaçant deux marqueurs (sable coloré) afin d'observer les déformations au sein du prisme. Il faut veiller à faire avancer la plaque le plus lentement possible car la localisation de la déformation dépend du taux de déformation (=vitesse de sollicitation). Nous avons filmé l'expérience avec un appareil photo Nikon pour la vue de profil et la Kinect pour la vue du dessus. Le logiciel kinect pour Windows permet d'enregistrer la vidéo couleur, la vidéo en teinte de couleurs pour les profondeurs et une vidéo 3D (mais qui est à très basse résolution). En revanche le format vidéo propre au logiciel ne nous permet pas de le traiter ensuite avec Matlab ni même d'avoir des données concluantes pour la profondeur. On suppose alors que la Kinect n'est pas assez de bonne résolution pour avoir des données de profondeur assez précise ou alors que le logiciel d'acquisition (matlab ou le logiciel kinect pour windows) joue sur la résolution. Nous pouvons donc comparer les résultats des deux expériences et relier directement les diverses différences du prisme à la variation de friction basale. Avec un programme matlab (voir section matlab), nous avons extrait des données telles que la pente du prisme ainsi que les pentes des failles formées dans le prisme.
Programmation et acquisition

 __Programme permettant d'acquerir les données de la kinect__

La kinect est composée d'une caméra RGB (caméra au centre) avec une prise d'image à une fréquence de 30Hz, en couleur 32bits et en résolution VGA de 640×480 pixels et d'une caméra infrarouge (caméra à droite) en lien avec l'emetteur infrarouge (à gauche).

Il est nécessaire de réaliser une cale avec une imprimante 3D afin de calibrer les mesures de la Kinect. La modélisation à été réalisé avec fusion 360. Nous avons donc imprimer une cale de 5cm/5cm avec une hauteur de 3cm comprenant des marches pour calibrer précisément la kinect au centimètre près.

Nous avons passé beaucoup de temps sur l'acquisition de données concluantes surtout les données de profondeur pour reconstruire une vision 3D du prisme et bien voir les effets la friction basale sur la formation du prisme (et potentiellement d'autres facteurs tels que la cohésion du sable utilisé, l’influence de l'épaisseur de sable déposé au début de l’expérience… etc) Ce que nous en tirons n'est pas à la hauteur de nos espérances car nous n'arrivons pas à avoir des données réelles avec la caméra pour la profondeur. Nous obtenons une image/une vidéo plus ou moins bien définie mais pas de données que nous pouvons traiter et interpréter derrière.

 __Comparaison kinect V1 / V2__

Nous avons aussi étudié les différences entre la kinect V1 et V2 au niveau de leurs résolutions respectives. La kinect V2 est à une plus grande résolution en couleur mais pas forcément plus intéressante en terme de profondeur et infrarouge.

Le second defaut de la kinect V1 est la variation de la mesure de la profondeur en fonction du temps qui evolue selon la courbe suivante : Il faut donc faire attention à laisser la kinect chauffer un minimum avant de pouvoir en extraire les données et en interpréter les profondeurs.

Enfin, l'erreur de profondeur sur un pixel dépend fortement de la distance entre la kinect et l'objet ciblé. Il est clair que aux alentours de 70cm de distance, l'erreur est minime par rapport à celle a 1m20 par exemple. On va donc placer la kinect a une distance avoisinant les 70cm

Source : Wasenmüller O., Stricker D. (2017) Comparison of Kinect V1 and V2 Depth Images in Terms of Accuracy and Precision. In: Chen CS., Lu J., Ma KK. (eds) Computer Vision – ACCV 2016 Workshops. ACCV 2016. Lecture Notes in Computer Science, vol 10117. Springer, Cham .

 __Programme permettant de traiter les images en coupe du prisme__

Un script matlab à été écrit pour permettre à partir de photos de l'appareil photo placé sur le coté de la boite lors des manipulations, de mesurer les valeurs des angles du prisme et des failles qui le compose. Nous avons alors analyser l’évolution du prisme lors de l’expérience avec et sans papier de verre:

    sans papier de verre

    avec papier de verre

Comme nous avons une vidéo, nous pouvons donc tracer l'évolution de l'angle du prisme en fonction du temps et commenter son évolution.

 __Programme permettant d'acquerir les données du laser__

en attente de la récéption du laser
Comparaison Analogique/Numérique

Le but de cette partie est de comparer un modèle analogique réalisé dans la boite à sable avec un modèle numérique codé avec pTatin qui permet de modéliser des prismes d'accrétion en fonction de différentes rhéologies. Pour cela il faut déterminer les caractéristiques du sable que nous utilisons à savoir : la cohésion, le coefficient de friction µ, la masse volumique.

 __Determination du coefficient de frottement µ __

A l'aide d'un montage simple composé d'un entonnoir on verse du sable pour ensuite determiner le coefficient de friction µ de celui ci formé par la pente du tas de sable à l'aide d'un logiciel d'acquisition d'images comme celui dans Matlab.On mesure les distances formées par un triangle rectangle inscrit dans le tas de sable. on réalise 5 mesures pour 5 photos différentes et on obtient :

    Photo 1 : θ = 34.92°
    Photo 2 : θ = 33.92°
    Photo 3 : θ = 32.47°
    Photo 4 : θ = 33.60°
    Photo 5 : θ = 33.19°

On a donc un angle de frottement moyen de 33.62 + ou - qui correspond a un coefficient de frottement moyen de 0.66 car µ = tan(θ) insérer calcul de propagation d'erreurs
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