1.5 Techniques d'acquisition de données 3D
1.5.2 Photogrammétrie
La photogrammétrie est une technique qui permet d'exécuter des mesures spatiales à partir de couples de photos prises selon des points de vue légèrement décalés. Elle se base sur le principe de la vision stéréoscopique, à l'instar de la vision humaine. Cette technique étudie également la création même de l'image et sa correction géométrique (notamment pour le calcul d'orthophotos11). Elle permet entre autre d'obtenir directement des Modèles
Numériques de Surface (M.N.S. - Cf. annexe D.2.2) très ables et sur mesure, mais dont la dé nition est tout de même limitée par la résolution des images.
Principe de la photogrammétrie P Photo 1 Photo 2 R1,O1 objet réel P1 P2 Q Q1 Q2 R2,O2 F1 F 2 ) , , , , , (P1 R1 F1 P2 R2 F2 f P=
Fig. 1.16 Principe de la photogrammétrie.
La stéréoscopie (ou perception de la troisième dimension) repose sur l'observation bi- noculaire. La vue d'un même objet sous deux angles diérents, comme le font les deux
11Une orthophoto est une image photographique dont tous les pixels ont été recalculés de manière à
1.5. Techniques d'acquisition de données 3D 25 yeux, permet d'apprécier la profondeur (voir gure 1.16). La parallaxe que l'on perçoit entre les points homologues ((P1, P2)ou (Q1, Q2)) d'un couple stéréoscopique (Photo 1 &
2 ) permet d'estimer des dénivelés et donc de restituer le relief des objets ; c'est le but de la photogrammétrie qui est utilisée pour l'établissement de cartes topographiques, en micro- scopie optique et électronique, pour des études de morphologie par photo-interprétation, ou encore pour de la reconstruction 3D d'objets ou de bâtiments. La connaissance précise des paramètres de prise de vue (position et orientation : (O1, R1) et (O2, R2)) ainsi que
des caractéristiques de l'appareil optique (qui est généralement calibré : F1 et F2 ainsi
qu'un modèle de déformation optique) permet de retrouver les coordonnées 3D des points imagés.
Note : un paramètre majeur pour la prise de vue est le rapport B/H. Si B est la base
(l'écartement spatial entre les deux prises de vue), et H la distance de prise de vue, alors le rapport B/Hdonne une idée de l'écartement relatif entre les deux prises de vue, et donc
de l'incidence visuelle des photos : plus les photos sont écartées, plus il sera facile d'évaluer et mesurer précisément la diérence de position d'un même point entre les deux photos (et donc d'en déduire sa hauteur par des calculs géométriques simples, pour ce qui est de la théorie). Par contre, plus les photos sont écartées, et plus les parties cachées sont importantes. Il faut donc trouver un bon compromis entre ces deux aspects du problème.
Photogrammétrie manuelle
La résolution de ce problème géométrique est mathématique mais nécessite un appa- riement préalable des couples de points. Cette opération, appelée stéréo-restitution, est généralement manuelle si l'on veut obtenir des résultats précis, comme pour la génération des cartes de l'IGN12 à partir de clichés aériens. Dans ce cas, on utilise des machines
sophistiquées appelées stéréorestituteurs (qui peuvent être analogiques, analytiques ou numériques). Il est possible d'utiliser l'outil informatique standard (avec des logiciels plus ou moins évolués qui couvrent une très large gamme de prix) mais les résultats sont moins précis et le processus encore moins rapide. Or la rapidité est de loin le plus gros problème de la photogrammétrie, puisqu'il faut plusieurs heures de travail pour traiter un couple de photos. Le résultat est par contre un des plus précis et des plus évolués possible, puisque l'opérateur peut créer le modèle 3D en même temps qu'il mesure les points (à condition que la scène modélisée ne soit pas trop complexe). Ce processus nécessite donc l'interven- tion d'un professionnel doté d'un important savoir-faire. Ceci est d'ailleurs vrai à tous les niveaux de la chaîne de production, que ce soit lors de la préparation de la campagne de prises de vue ou lors de la génération du plan (ou de la carte dans le cas de l'IGN). Le processus global est donc très précis mais aussi très lent et nécessite d'importants moyens humains et nanciers.
Photogrammétrie automatique
La communauté scienti que du domaine tente depuis de nombreuses années de rem- placer le processus humain de mise en correspondance de points entre les deux prises de vue par un processus automatique. Les diérentes stratégies reposent plus au moins sur le même principe : rechercher dans des zones théoriquement équivalentes les points les plus semblables. Cela est facilité si l'on connaît les paramètres de prise de vue de chaque photo. On peut ainsi déduire des lignes communes aux deux photos appelées lignes épi- polaires (en relation avec la géométrie épipolaire13 du couple de photos). La méthode
d'appariement la plus courante est la corrélation (en considérant la teinte, le voisinage des points, etc.) mais d'autres méthodes moins classiques sont aussi utilisées (Tensor Vo- ting [Chi-Keung et al. 2001], etc.). On obtient ainsi rapidement de nombreux points 3D uniformément répartis sur la scène. Par contre leur précision est directement liée à la résolution des prises de vue et les données ont généralement un aspect bruité très carac- téristique. Ceci est acceptable pour des M.N.S. de faible résolution (à partir de couples d'images satellites par exemple, pour générer rapidement et sur de très grandes étendues des modèles de terrain approximatifs - avec des images Spot 514 par exemple, on peut
typiquement obtenir des M.N.S. de 10 m de résolution avec des précisions de l'ordre de 3 m). En milieu urbain ou pour des objets isolés, la précision et la stabilité des processus automatiques est par contre encore faible. Elle pro te cependant d'une forte dynamique de recherche (Cf. [Roux et Maître 2001] par exemple).