∂Φ ∂X1 =2(OtOX1+OtJX2) =0 ∂Φ ∂X2 =2(JtJX2+JtOX1− λX2) =0 (2.49) ou encore : X1= −(OtO)−1OtJX2 (JtJ − (OtJ)t(OtO)−1OtJ)X2=λX2 (2.50) o`u la solution de X2est donn´ee par le vecteur propre correspondant `a la plus petite valeur propre deJtJ − (OtJ)t(OtO)−1OtJ. Lorsque X2est estim´e, la premi`ere ´equation donne X1.
Les matrices obtenues par ces trois m´ethodes, bien que ces derni`eres soient compl`etement diff´erentes, donnent des reprojections ´equivalentes des points 3D, les ´ecarts maximaux constat´es sont inf´erieurs `a 0,2 pixel. Cependant, exp´erimentalement nous avons observ´e un probl`eme de stabilit´e de la m´ethode de Faugeras-Toscani, pour des images de grandes dimensions. De plus, tel quel, aucune des m´ethodes d’´etalonnage pr´esent´ees jusqu’`a pr´esent ne tient compte des distorsions optiques, point d´evelopp´e dans la suite.
1.6 Les distorsions optiques
Quel que soit le type et le mod`ele de cam´era employ´ee, st´enop´e pour les appareils pho-tos [55] ou orthographique pour les cam´eras m´ecano-optiques [45], ceux-ci supposent que la projection d’un point objet sur l’image est lin´eaire. Or, dans la pratique, ce n’est pas tout `a fait vrai du fait d’optiques imparfaites. Celles-ci provoquent des distorsions dans les images qu’il est ais´e de constater sur la Figure 2.6(a) o`u les bords droits d’une mire apparaissent clairement bomb´es.
En pratique, les distorsions biaisent l’hypoth`ese que la projection d’un point du rep`ere objet au rep`ere image est lin´eaire, ce qui provoque un mauvais emplacement des points d’int´erˆet sur les images. Ceci modifie les coordonn´ees de l’ensemble des points comme le montre le sch´ema de la Figure 2.6(b) o`u les traits pleins repr´esentent la position r´eelle du point M, qui sans distor-sion est projet´e en mg et md. Avec distorsions, les projections du point M deviennent alors m0
g et m0
Processus de formation d’une image 33
point M mais en M0. De ce fait, les distorsions influencent directement l’´etalonnage des capteurs et, par cons´equent, les valeurs des coefficients des matrices de passage et finalement la qualit´e de la reconstruction future pour un syst`eme st´er´eoscopique. La prise en compte, ainsi que la correction, des distorsions sont des d´emarches importantes pour la diminution des incertitudes sur les r´esultats de la reconstruction.
Suivant la qualit´e de l’optique utilis´ee, ces distorsions sont plus ou moins marqu´ees. Il apparaˆıt donc indispensable de les ´etudier dans le d´etail. Selon des ´etudes bibliogra-phiques [39, 41], il existe trois natures diff´erentes de distorsions :
– la distorsion radiale caus´ee par des d´efauts dans la courbure des lentilles de l’objectif, – la distorsion de d´ecentrage provoqu´ee par un mauvais alignement des centres optiques
des lentilles,
– la distorsion prismatique dont l’origine est l’inclinaison des lentilles les unes par rapport aux autres. (a)
M
mg mdM'
C
1C
1 mg' md' (b)FIGURE 2.6 : Observation du ph´enom`ene de distorsion (a) et influence de celle-ci sur le
posi-tionnement d’un point (b).
Dans toute la suite du document, l’origine du rep`ere est prise au centre de l’image, position suppos´ee de l’intersection entre le plan image et l’axe optique.
1.6.1 La distorsion radiale
Avec ce type de distorsion, tous les points de l’image sont translat´es radialement par rap-port au centre de l’image. Suivant le sens de la translation, ils se rapprochent ou s’´eloignent du centre de l’image et la distorsion est respectivement de type barillet ou coussinet. Son inten-sit´e est d’autant plus marqu´ee lorsque les points sont ´eloign´es du centre de l’image. Ce type
d’aberration se remarque le mieux sur le bord des images. Math´ematiquement, la forme la plus utilis´ee pour la distorsion radiale est la suivante [55] o`u nous notons respectivementδrx etδry les termes correctifs suivant les deux axes de l’image :
δrx=x(k1r2+k2r4+k3r6+ ...)
δry=y(k1r2+k2r4+k3r6+ ...) (2.51) avec r = px2+y2 et o`u les ki sont les param`etres caract´erisant les distorsions radiales aux ordres consid´er´es. Dans le cas o`u les termes d’ordres sup´erieurs `a 3 ne sont pas pris en compte, l’expression des distorsions devient :
δrx=k1x(x2+y2)
δry=k1y(x2+y2) (2.52)
1.6.2 La distorsion de d´ecentrage
L’expression math´ematique g´en´erale de cette distorsion est la suivante [55] o`u nous notons respectivementδdx etδdy les termes correctifs de la distorsion de d´ecentrage suivant les deux axes de l’image :
δdx= [p1(r2+2x2) +2p2xy](1 + p3r2+ ...)
δdy= [2p1xy + p2(r2+2y2)](1 + p3r2+ ...) (2.53) En ne consid´erant que les termes de degr´es inf´erieurs `a 3, la relation devient plus simple car seuls les param`etres p1et p2interviennent et nous obtenons :
δdx= p1(3x2+y2) +2p2xy
δdy=2p1xy + p2(x2+3y2) (2.54)
1.6.3 La distorsion prismatique
Dans le cas o`u les lentilles sont inclin´ees les unes par rapport aux autres, le probl`eme est ´equivalent `a consid´erer un prisme mince. L’expression math´ematique de la distorsion prisma-tique est la suivante [55] o`u nous notons respectivementδpx et δpy les termes correctifs de la distorsion prismatique suivant les deux axes de l’image :
δpx=s1r2+s0 1r4+s00 1r6+ ... δpy=s2r2+s0 2r4+s00 2r6+ ... (2.55)
En n´egligeant toujours les termes de degr´es sup´erieurs `a 3, nous avons : δpx=s1(x2+y2)
Processus de formation d’une image 35
1.6.4 La distorsion totale
La distorsion r´esultant de l’addition des trois pr´ec´edentes est commun´ement appel´ee distor-sion totale. Elle intervient sur les coordonn´ees des cam´eras (x,y) obtenues par ajout d’un terme correctif (δtx,δty), donnant naissance aux coordonn´ees des points corrig´ees (xc,yc) :
xc=x +δtx
yc=y +δty (2.57)
L’expression de la distorsion totale dans le cas o`u les termes consid´er´es ont un degr´e inf´erieur `a 3 est :
δtx=k1x(x2+y2) +p1(3x2+y2) +2p2xy + s1(x2+y2)
δty=k1y(x2+y2) +2p1xy + p2(x2+3y2) +s2(x2+y2) (2.58) Cette expression rend compte assez justement de la r´ealit´e si ce n’est qu’il faut pour cela d´eterminer 5 param`etres : k1,p1,p2,s1,s2(il ressort d’une ´etude bibliographique que la distor-sion pr´edominante est g´en´eralement la distordistor-sion radiale [41, 55, 48]). La forme de chacune des distorsions est donn´ee sur la Figure 2.7 et dans [23] o`u les valeurs de δtx et δty sont born´ees entre ± 10 pixels. Afin de se rendre compte de l’influence de ces distorsions sur un cas concret, une image de r´ef´erence est g´en´er´ee puis modifi´ee num´eriquement par chacun des types de dis-torsion (Figure 2.8).
Par la connaissance de ce mod`ele d’aberration optique, il devient facile de corriger une image. De ce fait, la prise en compte de ces distorsions doit permettre un meilleur rep´erage des points sur les images, amenant des am´eliorations sur la qualit´e de l’´etalonnage et de la reconstruction [56].
pixel 100 500 900 100 500 900 −10 −5 0 5 10 pixel 100 500 900 100 500 900 0 5 10 pixel 100 500 900 100 500 900 −5 0 5 10 pixel 100 500 900 100 500 900 0 5 10 (a) pixel 100 500 900 100 500 900 −10 −5 0 5 10 pixel 100 500 900 100 500 900 −5 0 5 10 pixel 100 500 900 100 500 900 0 5 10 pixel 100 500 900 100 500 900 0 5 10 (b)
FIGURE 2.7 : Repr´esentation de la forme des distorsions pour le champ δtx (a) pour des va-leurs r´ealistes de k1,p1,p2,s1et repr´esentation du champδty (b), pour des valeurs r´ealistes de
Processus de formation d’une image 37
(a) (b)
(c) (d)
(e)
FIGURE 2.8 : Influence des distorsions sur une image, image de r´ef´erence (a), influence de la
distorsion radiale `a coefficient positif (b) et n´egatif (c), distorsion de d´ecentrage (d) et prisma-tique (e).
1.6.5 M´ethode de correction des distorsions
L’approche propos´ee pour corriger les distorsions optiques est la suivante : une texture num´erique al´eatoire (mouchetis), dont la r´esolution est celle du capteur du syst`eme d’acqui-sition, est g´en´er´ee puis imprim´ee sur une plaque par un laser (ou sur feuille de papier coll´ee sur une plaque). Cette plaque est dispos´ee devant un appareil photo en veillant `a ce que l’ortho-gonalit´e entre la plaque et l’axe optique soit respect´ee le plus pr´ecis´ement possible. Ensuite, la plaque est prise en photo de telle sorte qu’elle prenne toute la dimension du capteur du syst`eme d’acquisition. La disposition de la plaque est tr`es importante, tous les param`etres de l’objectif doivent ˆetre identiques `a ceux de l’exp´erience car c’est le seul moyen de garantir une correction rigoureuse des images exp´erimentales.
Une fois la photographie acquise, un calcul de corr´elation d’images a lieu entre les deux images, la r´ef´erence num´erique et l’image acquise par photographie. Ce calcul, effectu´e par la m´ethode pr´esent´ee dans l’Annexe G [57], mesure un champ de d´eplacement total (Utot,Vtot) renfermant toutes les informations concernant le grandissement, la rotation hors et dans le plan, et les distorsions. Pour d´ecoupler ces informations, le champ de d´eplacement total est projet´e sur la base suivante :
U = ax + by + c + k1x(x2+y2) +p1(3x2+y2) +2p2xy + s1(x2+y2) =Ua f f+Udist
V = dx + ey + f + k1y(x2+y2) +2p1xy + p2(x2+3y2) +s2(x2+y2) =Va f f+Vdist (2.59) Celle-ci contient les fonctions de formes affines (de degr´e 1) Ua f f =ax + by + c et Va f f = dx + ey + f , relatives au grandissement et rotation dans le plan, ainsi que celles des distorsions (Udist,Vdist)de degr´es 2 et 3 si ces derni`eres sont mod´elis´ees1.
Pour estimer les distorsions, deux cas sont `a envisager suivant que nous souhaitons obtenir ou non les coefficients (k, p,s). Dans le cas o`u seule la carte mesur´ee nous int´eresse, le champ de d´eplacement total est projet´e uniquement sur la base de d´eplacements affines. Les cartes obte-nues sont ensuite soustraites au d´eplacement total. Si le champ th´eorique est souhait´e, la projec-tion s’effectue sur l’ensemble des foncprojec-tions de base de l’´equaprojec-tion (2.59), donnant ainsi acc`es `a l’ensemble des coefficients. Dans l’Annexe C, nous ´etudions en d´etail l’effet des d´eplacements affines.
Une autre mani`ere de proc´eder pourrait ˆetre de d´eposer un mouchetis quelconque sur une plaque et d’imposer `a cette derni`ere des mouvements de corps rigides, ce principe est d´ecrit dans [27, 58]. Apr`es estimation des mouvements de corps rigides, les r´esidus sont assimil´es aux d´eplacements induits par les distorsions optiques. Cette m´ethode n’a pas ´et´e mis en application ici.
1. Pour le cas d’applications classiques en laboratoire (par exemple des acquisitions avec un appareil photo), cette mod´elisation bas´ee sur un polynˆome de degr´e 3 est suffisante et offre un champ r´esultant d´enu´e de bruit de mesure, plus facilement interpr´etable.
V´erification de l’am´elioration de l’´etalonnage par la g´eom´etrie ´epipolaire 39