Imagerie scientifique 3D par acquisition laser

Plusieurs dispositifs de scan ont été développés permettant la génération de nuages de points 3D. Ceux-ci peuvent être par la suite traités et intégrés à d’autres données telles que des images, afin de créer un modèle 3D complet et enrichi. Ce type de données est de plus en plus exploité dans des applications comme le relevé, la navigation, la réalité augmentée, le suivi de la morphologie de l’ouvrage et bien d’autres encore. Bien que la précision et le détail des nuages de points obtenus soient de qualité, le coût de ces dispositifs reste un frein important à leur utilisation.

41 Le balayage laser terrestre est « l’utilisation d’un dispositif basé au sol, qui utilise un laser pour mesurer les coordonnées tridimensionnelles d’une région donnée de la surface d’un objet de façon automatique, dans un ordre systématique et à un taux élevé de vitesse, près du temps réel » [Boehler W. et al, 2002a]. Ainsi les modules de balayage laser permettent une acquisition directe en temps réel de milliers de coordonnées spatiales (x, y, z) par seconde. En plus de ces coordonnées, certains dispositifs de balayage permettent aussi d’acquérir les valeurs d’intensité (nuance de 255 niveaux de gris) et les valeurs colorimétriques (valeurs RVB extraites à partir d’une caméra). Cependant, presque aucun système de balayage laser ne peut accomplir toutes les exigences d’un relevé d’architecture. En effet, un édifice peut présenter une variété d’objets qui s’étend des éléments architecturaux aux décors sculptés.

Les scanners laser sont des capteurs actifs pouvant générer des nuages de points denses décrivant l’objet en détail. Ces dispositifs sont principalement montés sur un élément fixe et mis à niveau pour obtenir une référence spatiale horizontale [Zogg H.M., 2008]. Ils sont utilisés pour mesurer des objets de différentes tailles allant du bâtiment et d’éléments architecturaux jusqu’à des petites pièces telles que des bijoux. Les modules de relevé scanner 3D pouvant être utilisés pour le relevé d’édifice se divisent en deux catégories : les scanners longue portée et les scanners à triangulation. Les deux principes sont différents, que ce soit en termes d’exactitude, ou de portée. Les principes de fonctionnement ont été décrits par [Marbs A.et al, 2001].

2.2.1.2.1. Les scanners longue portée

Les scanners à longue portée mesurent des angles horizontaux et verticaux. Ils mesurent également la distance, en calculant le temps de vol ou en comparant le changement de phase de l’onde transmise et reçue d’un signal modulé (Figure 21).

42  Scanner à temps de vol : Une impulsion est envoyée sur l’objet étudié. Le temps mis par laser pour parcourir un aller-retour (de l’émetteur à l’objet puis de l’objet au récepteur) est nécessaire pour calculer la distance entre le scanner laser et l’objet étudié. Ce système détecte seulement un point à la fois dans la direction sur laquelle il est pointé. Pour scanner l’environnement complet, le scanner doit donc répéter cette opération point par point et changer sa direction entre chaque mesure.

 Scanner à décalage de phase (Figure 22) : sur ces scanners, le faisceau émis est modulé par une onde harmonique. Après réflexion sur l’objet, le signal reçu laisse apparaître un décalage dans la phase par rapport à l’onde émise. Connaissant la différence entre les deux phases, la distance peut être calculée.

Figure 22 : Exemple de scanner à décalage de phase : FARO Focus 3D. 2.2.1.2.2. Les scanners par triangulation

Les scanners par triangulation utilisent également la lumière laser pour sonder l’environnement (Figure 23). Cependant le retour est capté par une caméra CCD. La caméra, le laser et le point projeté sur l’objet forment ainsi un triangle. En fonction de la distance, le point apparaît à un endroit différent dans le champ de vision de l’appareil. À partir des paramètres connus de configuration du dispositif, les dimensions du triangle peuvent être déterminées et donnent la position du point laser. Une variante de ce dispositif passe par l’utilisation de deux caméras DTC (Dispositifs à Transfert de Charge) positionnées à chaque extrémité de la base du module. Elle utilise le même principe géométrique, mais permet d’obtenir un taux d’acquisition plus élevé.

Le scanner de type décalage de phase nous permet donc de générer des nuages de points 3D avec des résolutions paramétrables. Le protocole est réalisé afin que le scanner laser acquière toutes les zones correspondant à la surface extérieure du bâti. C’est le cas notamment pour nos deux terrains d’expérimentation qui compte 26 stations de scan (intérieur et extérieur de l’édifice) pour la chapelle Notre-Dame des Fontaines et 12 stations de scan (intérieur et

43 extérieur) pour l’église Saint Maurice. Le nombre d’acquisitions est dépendant de l’objectif initial.

Figure 23 : Schéma de fonctionnement des scanners lasers par triangulation [Marbs A. et al., 2001].

Afin de réajuster toutes les stations entre elles, il est primordial d’utiliser des sphères caractéristiques, que nous avons positionnées à des endroits stratégiques sur le terrain d’acquisition. Celles-ci ont une forme d’équation mathématique connue pour le logiciel dédié à l’acquisition laser. Elles sont utiles afin de rassembler toutes les données 3D acquises de l’ensemble du patrimoine dans un seul et même référentiel de mesure absolu. Ce processus est réalisé lors d’un traitement en laboratoire.

Le but de cette acquisition est de récupérer des données précises relatives à la morphologie de l’ouvrage et ainsi d’extraire et de générer des informations géométriques en lien avec la morphologie de l’ouvrage. In situ, la technologie nous permet de visualiser l’image panoramique qui résulte de l’acquisition (Figure 24).

44 Figure 24 : Image panoramique visualisable in situ : station scanner mis en place dans l'église Notre-Dame des Fontaines. Il est donc possible d’observer et de valider le fichier 3D créé pour réaliser des ajustements dans le cas où des parties du bâtiment étaient manquantes. Le scanner laser produit donc un dossier contenant des données tridimensionnelles de chaque station réalisée, accompagnées par des métadonnées concernant le référencement. En fonction de la technologie laser utilisée, une image panoramique de chaque station en format JPEG (Joint Photographic Experts Group) peut être générée. La lecture de ces ressources se fait généralement avec le logiciel propriétaire associé au scanner.