Stitching of 3D Elementary Topographies for Roughness Multiscale Analysis
Stitching de Topographies 3D Elémentaires pour l'Analyse Multi-Echelle de Rugosité
Résumé
Surface roughness is linked to numerous physical phenomena, involved both in manufacturing (friction, visual aspect ...) and in day-to-day life (walking, object gripping ...). Roughness multiscale analysis is notably a powerful tool allowing the isolation of physical phenomena by their scale of application and the determination of their behavior laws. However, multiscale analysis requires a wider observable scale range than what is proposed by 2D or 3D profilometers to detect the relevant roughness scales. Stitching is an assembly technique combining elementary topographies, which overcomes the intrinsic limits of topography measurement apparatus and offers high precision 3D topographies over a large field of measurement. Although stitching algorithms are often used in surface metrology, their study is a true challenge as it is a fundamentally multidisciplinary problem, requiring knowledge in topography, materials science, metrology, mathematics, optimization process and computer science. This multidisciplinary aspect explains the collaboration between the mechanical and computer science departments during this research work. To answer the challenges of stitching, an approach in two axes is proposed. The first axis focuses on the study of the stitching procedure and on its integration in the workflow of the MorphoMeca team from the LAMIH, via the design of a software suite. Novel evaluation methods for repositioning errors and the quality of stitching are developed, thanks to the creation of a database dedicated to the testing of stitching algorithms. New stitching algorithms are also proposed, through the use of multimap and optimization processes. Finally, this first axis is concluded by the benchmarking of the performance of stitching algorithms regarding their algorithmic complexity and their ingestion capability for huge stitchings. A second axis proposes the application of the stitching to real-case studies. Multiscale analysis methods are then compared, thanks to the stitching and the study of polymer abrasion. Finally, a multiscale analysis of physical phenomena involved in the abrasion of nine polymers allows the identification of four wear mechanisms. Both axes highlight the interest of 3D topography stitching, either from an academic or an industrial perspective.
La rugosité de surface est liée à de nombreux phénomènes physiques, ayant des implications tant d’un point de vue industriel (frottement, aspect visuel ...) que quotidien (marche, préhension des objets ...). L’analyse multiéchelle de la rugosité est notamment un puissant outil permettant l’isolement des phénomènes physiques selon leur échelle d’application et la détermination de leurs lois de comportement. Cependant, l’analyse multiéchelle de rugosité nécessite de plus grands ensembles d’échelles étudiables que ce que procurent les profilomètres 2D ou 3D afin de détecter les échelles de rugosité pertinentes. Le stitching est une technique d’assemblage de topographies élémentaires permettant de pallier les limites intrinsèques des machines de mesure topographique, en proposant des topographies 3D haute précision sur large champ de mesure. Bien que les algorithmes de stitching fassent parti des algorithmes les plus utilisés en métrologie de surface, leur étude est un véritable challenge car il s’agit d’un problème fondamentalement multidisciplinaire, nécessitant notamment des connaissances en topographie, en science des matériaux, en métrologie, en mathématiques, en optimisation et en informatique. Cet aspect multidisciplinaire explique la collaboration entre les départements mécanique et informatique durant ces travaux de recherche. Pour répondre aux défis du stitching, une approche en deux axes est proposée. Le premier axe se concentre sur l’étude de la procédure de stitching et sur son intégration dans le flux de travail de l’équipe MorphoMeca du LAMIH, via la création d’une suite logicielle. De nouvelles méthodes d’évaluation des erreurs de repositionnement et de la qualité des procédures de stitching ont été développées, grâce à la création d’une base de données dédiée au test d’algorithmes de stitching. De nouveaux algorithmes de stitching sont également proposés, via l’utilisation du multimap et de processus d’optimisation. Enfin, ce premier axe se conclut par l’évaluation de la performance des algorithmes de stitching vis-à-vis de leur complexité algorithmique et de leur capacité d’ingestion de données pour des stitchings de grandes dimensions. Un second axe propose l’application du stitching à des cas d’études réelles. Des méthodes d’analyse multiéchelle ont ainsi pu être comparées, grâce au stitching et à l’étude de l’abrasion d’un polymère. Enfin, l’étude multiéchelle des phénomènes physiques impliqués dans l’abrasion de neufs polymères permet l’identification de quatre mécanismes d’abrasion. Ce deuxième axe met ainsi en lumière l’intérêt du stitching de topographie 3D, tant académique qu’industriel.
