ESIPE - IMAC 3

Présentation de la photogrammétrie, projet personnel

L'objectif de ce site, est d'approfondir un sujet particulier en lien avec mon option de troisième année, la photogrammétrie.

team meeting
person graphic

Définition

La photogrammétrie est la science et la technologie permettant d’obtenir des informations fiables sur les objets physiques et l’environnement par le biais du processus d’enregistrement, de mesure et d’interprétation des images photographiques et des modèles d’imagerie électromagnétique rayonnante et d’autres phénomènes. La photogrammétrie est apparue au milieu du XIXe siècle, presque simultanément à l’apparition de la photographie elle-même. L’utilisation de photographies pour créer des cartes topographiques a été proposée pour la première fois par le géomètre français Dominique F. Arago vers 1840. Le terme de photogrammétrie a été inventé par l’architecte prussien Albrecht Meydenbauer, qui a publié en 1867 son article « Die Photometrographie ».

Mais plus en détails :

La photogrammétrie à courte distance fait référence à la collecte de photographies à une distance moindre que la photogrammétrie aérienne (ou orbitale) traditionnelle. L’analyse photogrammétrique peut être appliquée à une photographie ou peut utiliser la photographie à grande vitesse et la télédétection pour détecter, mesurer et enregistrer des champs de mouvement complexes en 2D et 3D en introduisant des mesures et l’analyse d’images dans des modèles de calcul afin d’essayer d’estimer successivement, avec une précision croissante, les mouvements relatifs réels en 3D.

Précisons que le principe général est basé sur la perception humaine du relief par observation stéréoscopique. Dans le cas de la photogrammétrie aérienne, un avion équipé d’une caméra survole une région, de sorte qu’une partie du terrain apparaît sur deux images correspondant à deux positions différentes de l’avion.

Si on observe simultanément un cliché avec un œil et le second avec l’autre œil à l’aide d’un outil optique approprié (stéréoscope à miroir, appareil de reproduction, ordinateur équipé de lunettes spéciales, etc.), on voit la zone du terrain en relief vue des deux images. La vision humaine permet en effet de voir en relief dans un large éventail d’arrangements relatifs de ces deux images. Mais si nous avons ces derniers dans une position relative exactement similaire à celle qu’ils avaient au moment de la prise de vue, alors l’image stéréoscopique observée est une homothétie exacte du terrain réel photographié, dans la mesure où la chambre de tir soit parfaite ou que l’image a été corrigée pour sa distorsion. Pour exploiter ensuite cette scène stéréoscopique, l’appareil de restitution superpose un point sur chaque image nommé le « ballon », que la vision humaine comprendra comme un petit objet dont la position peut être déplacée à volonté en hauteur au-dessus de l’image du terrain avec des contrôles appropriés. Le travail de l’opérateur sera donc de faire passer ce ballon dans l’image sur tous les objets à mesurer, tandis que l’appareil archivera toutes les informations numériques produites.

Pour que l’image observée soit une copie exacte de l’objet mesuré, un certain nombre de points de l’image doit être contraint en les forçant à être dans des positions relatives similaires aux leurs sur l’objet. Pour une paire stéréoscopique donnée, nous savons que 6 points connus sont nécessaires pour que l’image soit fidèle. Ces points seront mesurés : cette opération s’appelle la stéréopréparation. Lorsque de nombreuses paires stéréoscopiques sont liées, le nombre de points au sol à mesurer peut être limité en analysant toutes les contraintes géométriques qui sont transmises d’image en image. Le processus de calcul très complexe est appelé aérotriangulation. De plus, la manipulation des grandes quantités de données numériques extraites est résolue par des logiciels spécialisés, des outils permettant le formatage final des données en sortie de l’appareil, l’entrée des corrections des équipes de terrain et enfin de mise en forme et d’édition des données en fonction des besoins du client.

L' historique

Date Avancée
1300 Point de fuite
1425 Perspective
1637 Géométrie analytique
1637 Héliographie
1820 Photogravure
1850 Métrophotographie
1900 Stéréophotogrammétrie terrestre
1920 Photogrammétrie aérienne analogique
1900 Stéréophotogrammétrie terrestre
1940 Développement de la photogrammétrie analogique
1975 Photogrammétrie analytique

Photographie & photogrammétrie :

La photographie est un outil essentiel pour le relevé les lieux. Cet outil entre également en jeu dans d'autres situations, pour enregistrer des éléments, des reconstitutions d'événements et lors de la présentation des résultats Outre cela, nous pourrions définir la photographie géométrique qui, pour toute image prise, a pour objectif d'extraire les grandeurs de sujets enregistrés. De plus, présentons la photographie documentaire qui est utilisée pour déterminer l'état des objets exposés au moment de leur découverte. Celle-ci est également utilisé pour illustrer et clarifier une description ou une démonstration.

La photographie documentaire sert à fixer l’état des pièces à conviction telles qu’elles sont reçues au laboratoire ou fixer l’état des lieux au moment de la découverte. Elle sert aussi à illustrer et rendre plus claire une description ou une démonstration. L’image est devenue une source d’information plus importante et elle doit être traitée comme une trace visuelle. Elle est analysée afin d’extraire des informations. L’image est un moyen d’enregistrement et d’illustration de tout élément lié à une enquête, un moyen de conservation de la preuve et une méthode de découverte. Elle sert dans le processus d’identification, comme moyen didactique et de renseignement ou comme support pour des analyses. En combinant ces revues sur l’emploi de la photographie en sciences forensiques, deux utilisations principales sont à distinguer :

  • la photographie comme outil de travail ; l’image est un moyen et un support de travail pour les investigations :
    • la photographie comme moyen de documentation des éléments liés à une affaire ; elle sert à fixer et enregistrer tous les objets et traces observés, relevés et qui ont ou peuvent avoir un intérêt pour l’enquête ;
    • la photographie comme moyen d’illustration. Elle donne une vision des lieux, des traces, des objets ou des personnes
  • la photographie comme moyen de démonstration ; elle sert à démontrer les conclusions auxquelles le spécialiste a abouti. Il s’agit de présenter les résultats de l’investigation.
  • la photographie comme objet d’étude : l’image est analysée pour en extraire des informations, notamment
    • pour déterminer des grandeurs
    • pour déterminer des caractéristiques physiques des sujets photographiées
    • pour reconstituer des événements
    • pour extraire des informations morphologiques pour la comparaison dans une banque de données.


Nous pouvons cependant nous questionner sur comment construisons-nous des modèles 3D à partir de photos ? Il s’agit tout simplement du fonctionnement de la photogrammétrie À première vue, la technologie de photogrammétrie semble surprenante, car la collecte de données se fait à l'aide de simples capteurs photos. Cela signifie que toutes personnes disposant d'un simple smartphone peuvent capturer la réalité 3D, une puissance que beaucoup d'entre nous n'ont pas encore envisagée !

En effet, avez-vous remarqué que toutes les espèces vivantes ont deux yeux ou plus ? Mais pourquoi pas seulement un œil alors ? La réponse à cette question peut à elle seule expliquer le fonctionnement de la photogrammétrie : un stéréoscope permet de voir les reliefs.

Notre cerveau est une puissante machine qui peut modéliser en temps réel et construire un espace basé sur des points de vue légèrement différents (nos deux yeux sont décalés) en trois dimensions, tout en utilisant la mémoire visuelle lors de nos mouvements. Pour augmenter le point de vue et augmenter la précision de notre impression mentale de la scène. Avec une bonne compréhension de ce principe, vous comprendrez le principe de la photogrammétrie.

Cette méthode repose sur le principe de corrélation d'images acquises sous différents angles, ce qui permet l'identification automatique des points homologues. Ce travail est trop lourd pour être effectué à une échelle raisonnable par des humains, et il nécessite une puissance de calcul considérable. Par conséquent, il est raisonnable que les applications professionnelles aient seulement commencé à se démocratiser au cours des dernières années, et les supercalculateurs utilisés pour ce type d'opération dans le passé ne conviennent pas à une utilisation que les ordinateurs de bureau modernes qui intègrent les fonctions nécessaires.

La corrélation d'image consiste en l'identification automatique des pixels homologues sur une surface définie. L'algorithme d'analyse d'image remplace la vision humaine en associant n'importe quel point de l'image A à un point homologue de l'image B. À ce stade et de manière algorithmique, l’ordinateur procède à une lecture stéréoscopique de la scène pour déterminer les positions relatives de chaque point. De plus, la multiplication de ce procédé permet de fiabiliser le calcul de la position de chaque pixel en divisant l'erreur tout en augmentant le degré de modélisation 3D.

Méthodes d' acquisition :

Nous avons vu que la photogrammétrie est une technologie qui capture la réalité et peut créer des modèles numériques de réalité à partir de photos. L'acquisition peut se faire en mouvement «sol » : prise depuis le sol par une personne ou une machine équipée d'un capteur caméra. La prise de vue aérienne est également souvent réalisée à partir d'avions, de drones ou de tout autre outil permettant le vol de capteurs photographiques.

La qualité de la méthode d'acquisition est davantage liée au processus de prise de vue qu'à l'outil lui-même. En effet, rappelons que la photogrammétrie utilise le principe de la vision stéréoscopique pour expliquer le volume théorique de l'œil couplé au cerveau.

Prenons l’exemple d’un immeuble d'appartements. En regardant la première façade avec deux yeux, on voit déjà un certain volume : le terrain en face est plus proche que la façade.



Cependant, il manque les trois autres façades du bâtiment. En fermant les yeux en bougeant, vous pouvez vous faire face à tour de rôle pour les ouvrir afin de visualiser chacune des façades. Avec cet exercice, votre cerveau peut bénéficier de huit vues différentes du bâtiment : quatre façades multipliées par deux yeux. Vous avez suffisamment de repères pour créer un modèle 3D mental de la scène.

Cependant, afin de compléter cela, il serait intéressant de prendre des photos de différents étages dans des bâtiments adjacents les uns après les autres. Ainsi que prendre des photos au "nadir" (une position au-dessus de la scène).

Par ailleurs, une scène numérisée en trois dimensions peut manquer de précision pour deux raisons: manque d'informations dans une zone ou manque de points sur les images. Notons également le phénomène de sous/sur exposition des images à fort contraste de luminosité qui peut être problématique. La qualité même de la photographie, que ce soit sa résolution ou son exposition, influe directement sur la précision du modèle 3D.

Malgré toutes les précautions prises lors de la prise de vue et malgré les atouts de la photogrammétrie, la technique présente encore certaines faiblesses majeures. En effet, puisque tout est basé sur l'image, l'aspect même des objets est alors le garant d'une bonne reconstruction tridimensionnelle. Les réflexions génèrent une mauvaise interprétation des données et conduisent à une reconstruction 3D erronée.

person graphic

En conclusion, la photogrammétrie est une technique topométrique ancienne et que l'on pouvait penser réservée afin d’effectuer des cartographiques nationales. Elle a su évoluer notamment grâce aux avancées de nombreux autres domaines, et tout particulièrement de la puissance de calcul disponible. Elle peut désormais être largement employée dans la palette des outils courants du topographe. Autrefois réservée à des techniciens formés de façon très pointue, elle s'est considérablement démocratisée, et mérite d'être bien connue avant d'aborder toute mesure 3D où la précision doit pouvoir être garantie.

L’objectif de ce projet était effectivement de mettre en place des TP sur la photogrammétrie, notamment grâce à une demande effectuée auprès de l’ESIEE qui possède le matériel adéquat ; pour autant au vu du contexte sanitaire cela n’a pu aboutir.