Les capteurs extéroceptifs - 2

Cours du 27/11/02

Retour à la première partie du cours : présentation ; capteurs environnementaux ; notion d'onde.

I - Plusieurs classifications possibles des capteurs

1 - Classification des capteurs en fonction de leur utilisation
2 - Classification des capteurs en fonction des grandeurs physiques captées
3 - Pour chaque capteur :

II - Grandeurs physiques environnementales

1 - Température
2 - Humidité - Pluie
3 - Pression atmosphérique
4 - Vent
5 - Gaz, fumée, substances chimiques

III - Notion d'onde

1 - Absence de contact
2 - Spectre des divers types d'ondes

IV - Ondes sonores

1 - Ondes sonores
2 - Capteur sonore 1 : microphone
3 - Capteur sonore 2 : volume sonore
4 - Ultrasons
5 - Effet Doppler en ultrasons

V - Ondes électromagnétiques basses fréquences

1 - Radars Doppler
2 - Télémètre laser
3 - Theremin et détecteurs capacitifs

VI - Ondes infra-rouges

1 - Capteurs pyroélectriques
2 - Capteurs à infra-rouge (IR) : barrières et réflexion
3 - Télémètre par triangulation optique

VII - Ondes lumineuses visibles

1 - Capteurs photoélectriques
2 - Barettes CCD
3 - Caméras : chaînes d'acquisition vidéo
4 - Cameras : Traitements usuels
5 - Imagerie couleur
6 - Choix d'une chaîne d'acquisition

VIII - Ondes électromagnétiques hautes fréquences

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Début du cours

IV - Ondes sonores

- Ondes sonores
- Etre humain et son
- Capteur sonore 1 : microphone
- Capteur sonore 2 : volume sonore
- Ultrasons
- Effet Doppler en ultrason

1 - Ondes sonores

Définition :

Les ondes sonores sont des variations de pression qui se propagent dans un milieu compressible (air, eau) à une vitesse qui dépend du milieu.

-> Les capteurs doivent traduire ces variations de pression.

Etre humain et son

L'être humain est une source sonore, volontaire ou involontaire.

C'est aussi un obstacle réflexif par rapport à la propagation des sons.

2 - Capteur sonore 1 : microphone

Principe : il en existe de deux types.

- Micro à électret, construit comme un condensateur à plaques
- Micro à bobine ou électrodynamique, construit comme l'inverse d'un haut-parleur

Caractéristiques

Capteur à fort débit / temps réel

       

Types de micro

- Micro omnidirectionnel

- Micro directionnel

Portée très variable

Mise en oeuvre

Il faut un ampli + carte son, qui peut être indépendante d'un ordinateur.

Applications artistiques

Prise d'ambiance sonore / restitution à distance.
Réaction à un son précis.

Exemple : le Silophone ( Interférences 2000).

3 - Capteur sonore 2 : volume sonore

Principe

- Récupérer le signal issu d'un micro.
- Faire une détection d'enveloppe avec un montage électronique adapté.

Caractéristiques

Capteur + lent.

4 - Ultrasons

Principe

Il s'agit d'une imitation de la chauve-souris. Nécessité d'une émission régulière d'ultrasons.

    

Détection des obstacles : l'attente de l'écho est proportionnelle à la distance.

Utilisation artistique

- Mesure de distance
- Mesure de vitesse
- Détection de présence
- Détection de mouvements

Les capteurs ultrason sont en général utilisés pour situer un corps non émetteur d'US, mais peuvent être utilisés pour capter des US émis extérieurement : chocs métalliques, chauve-souris...

Caractéristiques des mesures et limitations

- Cône de réceptivité
- Précision
- Portée (3 à 10 m)
- Matériaux réfléchissants / absorbants
- Interférences
- Parasitage (percussions métalliques, systèmes pneumatiques)
- Bruit

Mise en oeuvre

- Choix du capteur
- Multi / Simple écho
- Micro-contrôleur indispensable

Limitations du capteur à ultrasons

- Expérience 1 : mesure
- Expérience 2 : sources d’ultra-sons parasites
- Expérience 3 : mesures trop rapprochées
- Expérience 4 : obstacles parasites

5 - Effet Doppler en ultrasons

Principe

Utilisation artistique

Mesure de vitesse uniquement

Précaution

Aucun autre capteur à ultra-sons dans la même pièce

V - Ondes électromagnétiques basses fréquences

 

- Effet Doppler radar
- Télémètre laser
- Theremin

1 - Radars Doppler

Ils fonctionnent en ondes radio (HF), ou « module radar hyper-fréquence ».

Utilisation artistique

Mesure de vitesse uniquement

Précaution

Le radar émet en permanence, la présence d'un autre radar est impossible à proximité.

HF : il ne faut aucun autre capteur HF dans la même pièce ni de l'autre côté du mur !
Les ondes radio passent à travers les murs...

2 - Télémètre laser

Principe

- Envoie une onde lumineuse modulée rapidement en amplitude.

- Il mesure le temps de vol en observant le retard entre onde émise et onde reçue. Il mesure la distance entre le télémètre et le premier obstacle rencontré.

C'est un capteur très précis.

Utilisation artistique

Obtention d'une coupe de présence des gens autour de l'oeuvre

3 - Theremin et détecteurs capacitifs

Principe

Capteurs sensibles à la présence et à la proximité

Utilisation en art

- Musique
- Détecteur de proximité
- Détection de mouvements fins

    

Précautions

Réglage délicat, préparation.
Ronflement secteur.

VI - Ondes infra-rouges

- Capteurs pyroélectriques
- Barrière infra-rouge
- Réflexion infra-rouge
- Télémètre par triangulation optique

1 - Capteurs pyroélectriques

Principe

Sensibilité à une variation de température.
Ces capteurs sont généralement associés à une lentille de Fresnel.

Une variation de température infime active le capteur.

    

Il ne permet pas de détecter la présence immobile de personnes.

Utilisation artistique

But : capter le mouvement des êtres vivants par la chaleur dégagée

- Détection de mouvement
- Détection de passage

Variété

Deux types de capteurs :
- Différence de température entre deux zones
- Détection de différence de température sur quatre quadrants

    

Deux sources

- Modèle grande surface, 220 V à transformer
- Modèle SU20, Lextronic, 5 V

Précautions

- Disposition et orientation du capteur à deux quadra.
- Eviter les sources de chaleur et ce qui diminue les différences de chaleur.
- C'est un capteur lent, saturé par la foule.

 

2 - Capteurs à infra-rouge (IR) : barrières et réflexion

Principe

Emettre et capter un signal IR codé

Plusieurs types de capteurs

- Barrière IR courte et longue portée
- Détecteurs de proximité
- Télémètre
- Réflexion IR

    Barrière infrarouge
Barrière longue portée
  Capteur de proximité infra-rouge
  Douche infrarouge.

Utilisation artistique

Ce sont des capteurs discrets car éclairés par une lumière invisible.

- Détection de franchissement d'une ligne
- Détection de présence dans une direction

Limitations

- Aveuglement du capteur en lumière directe
- Parasitage mutuel de barrières rapprochées

3 - Télémètre par triangulation optique

   Capteur
   Voltage envoyé par le capteur, en fonction de la distance.

VII - Ondes lumineuses visibles

- Photorésistances
- Barrettes CCD
- Caméras - Vidéo
- Traitements usuels
- Imagerie couleur
- Choix d'une chaîne d'acquisition

1 - Capteurs photoélectriques

Principe

Il s'agit de photorésistance, cellule photo-électrique.
C'est un capteur sensible à la quantité de lumière reçue.
Une variation de lumière provoque une variation de signal.

Plusieurs types de capteurs

Seuil de réaction ou mesure de variation

- Transistor -> Commandes tout ou rien
- Optique -> Détection de passage à longue distance
- Écran TV -> Détection de mouvements en temps réel

Utilisation artistique

Faible coût donc grand nombre possible

- Détection de présence
- Détection de passage et de mouvement
- Télémètre optique

2 - Barettes CCD

Principe

Pixels en ligne
Exemple : le capteur d'un scanner est une barrette CCD.

Ce capteur est composé de plusieurs éléments tous sensibles à la quantité de lumière accumulée entre deux prises de vue

Les éléments sensibles sont répartis sur une ligne.
Une barrette CCD permet d'obtenir une séquence de photographies.
Possibilité de nombreuses images/seconde en forte lumière.

Utilisation artistique

- Détection de franchissement de ligne
- Analyse du mouvement
- Capteurs embarqués
- Images cylindriques
- ...

Exemple :

Limitations

Les barrettes CCD ont les mêmes défauts que les caméras vidéo.

3 - Caméras : chaînes d'acquisition vidéo

Elles comportent toujours :

- Caméra, avec

Optique : focale, ouverture
Capteur : damier de pixels, plusieurs types de répartitions
Electronique : Sortie en numérique / analogique
Type de câbles
Longueur admissible des câbles

- Interface

Carte d'acquisition vidéo pour l'analogique
USB, firewire, port parallèle ou carte d'acquisition haut de gamme

Quelles sont les informations indispensables à l'artiste pour choisir et utiliser sa caméra dans de bonnes conditions ?

Choix du type de caméra

Trouver un modèle approprié :

Connaître toutes les caractéristiques du lieu : hauteur sous plafond, possibilités d'accrochages, types d'éclairages...

Précautions d'accrochage des caméras

Il faut que l'immobilisation soit parfaite pour le tracking ou l'identification de positions.
Nécessité de fixations stables et réglables.
Ergonomie

Précautions d'éclairage de la scène

Saturation des couleurs
Ombre portée
Calibrage et projecteurs pilotables
Eviter les variations de lumière non contrôlées

Principes et applications artistiques

Observation d'une scène ->

Capture 2D

Exemples d'applications :

reconnaissance des couleurs
reconnaissance de formes particulières
reconnaissance de mouvement

Capture 3D : stéréoscopique

Reconstitution

Vision panoramique

4 - Cameras : Traitements usuels

Schéma

Couleurs

Saturation des couleurs
Changement de couleur des lumières

 

Systèmes de couleurs

RVB
Lab

Principes et applications artistiquesFormation des images / Les objectifs

Optique géométrique, systèmes dioptriques centrés.

Défauts :

- aberrations chromatiques, indice bleu # indice rouge
- aberrations de sphéricité, déformations en croissant ou barillet
- astigmatisme
- profondeur de champ limitée

Types de capteurs

Capteurs CMOS
Capteurs CCD
Systèmes tri-CCD
Caméra Infineon

5 - Imagerie couleur

6 - Choix d'une chaîne d'acquisition

- Choix du Capteur

- Choix de l’optique

calcul de la focale nécessaire…

- Transmissions

filaire ou HF

- Logiciels de traitement

liste sur www.artsens.org

VIII - Ondes électromagnétiques hautes fréquences

- Rayons X, gamma
- Compteurs Geiger

Conclusions