Laboratoire commun LIVO : mesurer la vitesse des fluides en temps réel

Photon Lines est une PME française, créée en 2001 et d’abord spécialisée dans la distribution d’instruments optiques, en particulier à destination de la recherche. Puis, l’entreprise s’est diversifiée avec le développement de ses propres produits – des bancs d’imagerie – sous la marque eye4you.

Deux thèses CIFRE, puis un laboratoire commun

La relation entre Photon Lines et le PMMH1 s’est initialement nouée sur un plan… commercial. Pour ses activités de recherche, le laboratoire nécessitait une caméra scientifique2 et la PME lui a proposé de répondre à son besoin. À cette occasion, Jean-Luc Aider, directeur de recherche CNRS au sein du PMMH, a présenté ses travaux à l’entreprise. Les discussions ont alors pris une autre tournure. « Nous n’avions pas l’habitude de mener des projets de recherche conjoints avec des laboratoires, mais nous avons immédiatement perçu la valeur ajoutée que le PMMH pouvait nous apporter », se souvient Éric Dréan, président de Photon Lines. « De plus, il nous paraissait clair que nos compétences se complétaient parfaitement, dans l’idée de développer ensemble des innovations majeures sur un marché porteur. »

La collaboration s’est matérialisée en 2018 avec une première thèse CIFRE, suivie d’une deuxième. Deux projets conjoints fructueux qui ont poussé les partenaires à aller plus loin. « Les résultats des thèses nous ont permis d’enrichir l’offre de Photon Lines à destination de nos clients et donné envie de pérenniser notre collaboration », se réjouit Éric Dréan. « Le laboratoire commun nous a alors semblé être le meilleur support pour partager efficacement nos ressources et nous projeter à plus long terme, autour d’un même objectif. » C’est ainsi qu’est né, en février 2026, le laboratoire commun LIVO (« Live Velocimetry by Optical flow »), pour une durée de cinq ans.

Vélocimétrie en temps réel par flot optique

LIVO s’intéresse à un champ particulier de la mécanique des fluides : la vélocimétrie, qui vise à mesurer la vitesse d’un fluide. Pour cela, il existe une méthode, couramment employée, appelée « Vélocimétrie par Images de Particules » (PIV, Particle Image Velocimetry), qui consiste généralement à analyser des paires d’images afin de calculer les champs de vitesse. Elle présente toutefois un inconvénient majeur : elle nécessite des temps et des ressources de calcul considérables, ce qui impose un traitement a posteriori.

« À l’inverse, notre objectif était de proposer une PIV en temps réel », indique Jean-Luc Aider. « À cet effet, nous avons opté pour une approche différente : le flot optique. Il s’agit, cette fois, de calculer les champs de vitesse à partir de variations d’intensité sur des images. » Cette méthode permet de diminuer significativement le temps de calcul nécessaire, au point de pouvoir calculer les champs de vitesse et en extraire des grandeurs d’intérêt pendant la mesure, en confiant le traitement à des processeurs graphiques (GPU, Graphics Processing Units). L’information est alors disponible en temps réel, mais également à une plus haute résolution qu’avec la PIV traditionnelle.

Cela représente un avantage substantiel pour les laboratoires de recherche en mécanique des fluides. L’accès aux champs de vitesse étant immédiat, ils peuvent envisager des expériences inédites – mesures de très longue durée, recherche d’événements rares, contrôle d’écoulements, etc. –, en plus de réduire considérablement leurs temps d’expérimentation et d’analyse, et donc la consommation d’énergie. « Ces atouts intéressent aussi fortement l’industrie, notamment l’automobile, l’aéronautique, le ferroviaire… », cite Éric Dréan. « Dans ces secteurs, il est en effet primordial d’optimiser l’aérodynamique et l’hydrodynamique, en particulier afin de minimiser la consommation d’énergie. Dès lors, cette innovation constitue un avantage concurrentiel majeur sur un marché très prometteur pour une PME comme Photon Lines, ainsi qu’une contribution à l’effort de réduction de l’empreinte énergétique des transports. »

De la recherche au produit commercialisé

La première thèse conjointe a rapidement abouti à des résultats significatifs, avec un démonstrateur testé, validé, puis intégré au sein de l’offre de l’entreprise. « À vrai dire, les travaux sur ce sujet ont commencé il y a une quinzaine d’années », note Jean-Luc Aider. « À l’origine, ils étaient uniquement destinés à des expériences de contrôle d’écoulements à l’aide d’un capteur visuel donnant accès au champ de vitesse en temps réel. Nos interactions avec Photon Lines nous ont conduits à envisager de faire sortir notre système du laboratoire, pour développer une chaîne de mesure robuste adaptée aux besoins de tous les mécaniciens des fluides. Nous avons ainsi pu coconstruire une solution opérationnelle, dans un cadre exemplaire de synergie, d’écoute et de respect mutuel. »

La deuxième thèse, quant à elle, a permis d’améliorer les résultats, en optimisant la chaîne de mesures complète, depuis la caméra jusqu’au GPU. Les protocoles expérimentaux et les paramètres du flot optique ont également été adaptés pour améliorer la qualité, la précision et la robustesse de l’outil. La collaboration étroite entre les équipes du PMMH et de Photon Lines a ainsi fait évoluer l’offre logicielle de la PME, avec un nouveau produit, baptisé eyePIV, proposant des mesures précises de vélocimétrie en temps réel, à haute fréquence, sur de longues durées. Une solution déjà commercialisée et utilisée par des laboratoires de recherche, ainsi que par des industriels, par exemple dans le domaine de l’énergie.

Vers une généralisation de la vélocimétrie par flot optique

À présent, avec LIVO, les deux partenaires souhaitent ajouter de nouvelles fonctionnalités à leur outil, comme la gestion de plusieurs GPU en parallèle, pour des mesures encore plus rapides. Ils ambitionnent, en outre, de passer d’une analyse de champs de vitesse en deux dimensions – une offre déjà unique en temps réel – à une vélocimétrie 3D, grâce au recours à une deuxième caméra. Un besoin qui figure parmi les priorités de Photon Lines.

Enfin, l’entreprise et le PMMH visent une généralisation de la vélocimétrie par flot optique. Et les applications ne manquent pas. « Cette technique s’appuie sur les variations d’intensité pour calculer des champs de vitesse », rappelle Jean-Luc Aider. « Par conséquent, nous pouvons aller au-delà de la PIV traditionnelle : toute image présentant une texture dynamique, issue d’une caméra classique comme infrarouge, peut être analysée via notre méthode. Écoulement de grains de sable, suivi d’avalanche, analyse qualitative de l’air, déplacements d’objets… Les possibilités sont quasi infinies. »

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  Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH, CNRS/ESPCI Paris – PSL/Sorbonne Université/Université Paris Cité)

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  Caméras aux caractéristiques adaptées à la métrologie quantitative scientifique et utilisées en sciences de la vie et en sciences physiques, couvrant des domaines allant de l'optique quantique et de l'astronomie solaire à la biologie du développement.