Qu’est-ce que la photogrammétrie ?
La photogrammétrie est une technique qui consiste à effectuer des mesures fiables à partir de photographies. Celle-ci existe, sous une forme ou une autre, depuis plusieurs siècles et nous aide à mieux comprendre des choses telles que la surface de la Terre. Aujourd’hui, elle joue un rôle crucial dans une multitude de secteurs. Vous trouverez ici un article introductif qui vous donnera une idée générale de ce qu’est la photogrammétrie ainsi que de son fonctionnement.
Introduction
La photogrammétrie est un vaste sujet. Elle devient de plus en plus populaire au fil des années et est, par conséquent, utilisée pour de nombreuses applications, chacune possédant ses particularités. Nous vous présenterons ici les concepts généraux qui sous-tendent la photogrammétrie. Nous examinerons son fonctionnement, ses domaines d’utilisation les plus courants, le matériel généralement utilisé, les cas où son utilisation est recommandée – et ceux où elle ne l’est pas.
Commençons par une définition.
Définir la photogrammétrie
La photogrammétrie est une technique qui consiste à effectuer des mesures fiables à partir de photographies. Si cette définition peut sembler quelque peu simpliste, l’étymologie du mot la corrobore : « photos » signifie « lumière » en grec, « gramma » se traduit par « écriture » ou « dessin », tandis que « metron » signifie « mesurer ».
Vous rencontrerez peut-être aussi des définitions de la photogrammétrie évoquant la prise de mesures à partir de motifs d’énergie radiante électromagnétique et d’autres phénomènes. La raison en est que dans certains milieux, la définition de la photogrammétrie n’inclut pas uniquement la photographie, mais aussi les données issues d’une autre imagerie multispectrale.
L’ESSENTIEL
La photogrammétrie est un moyen d’obtenir des mesures fiables à partir de photographies.
Quoi qu’il en soit, le principe général reste identique : obtenir des informations fiables sur les dimensions d’un objet physique en examinant et en interprétant des images. Dans la majorité des cas, ces images sont de simples clichés pris avec un appareil photo – généralement un reflex numérique. C’est la définition que nous utiliserons ici.
Imaginez une photo à l’ancienne d’une scène de crime où une règle a été placée à côté d’un objet présentant un intérêt. S’agit-il de photogrammétrie ? Il s’agit, après tout, d’un moyen de mesurer un objet à partir d’une photographie.
Eh bien, pas tout à fait. Nous verrons pourquoi dans un instant.
Comment fonctionne la photogrammétrie ?
Nous définissons la photogrammétrie comme la prise de mesures fiables à partir de photographies. Le terme « fiable » est essentiel ici car la fiabilité est, par essence, inhérente à la photogrammétrie.
Pour en revenir à notre scène de crime, admettons que nous ayons une photo d’une trace de pas au sol avec une règle de la police scientifique placée à côte de celle-ci. Nous ne pouvons pas déterminer avec certitude la pointure de la chaussure à partir de la photo même si la règle fournit une échelle. Si l’empreinte de pas s’incurve sur un monticule de terre, vue d’en haut, elle semble plus petite qu’elle ne l’est en réalité.
Si cette trace de pas se trouve sur un monticule de terre, elle peut sembler plus petite depuis cette perspective, ce qui rend non fiables les mesures effectuées à partir de cette photo.
Pour effectuer une mesure précise, nous devons tenir compte de la courbure de la surface. Mais si l’appareil photo est positionné directement au-dessus de l’empreinte de pas et orienté vers le bas, il ne voit pas le relief du sol.
Comment la photogrammétrie contourne-t-elle ce problème ?
La réponse courte consiste à utiliser une multitude de photos se superposant prises dans différentes positions et sous divers angles.
La photogrammétrie déduit les dimensions d’une scène en utilisant une multitude de photos se superposant prises dans différentes positions et sous divers angles.
Tout est une question de perspective
La photogrammétrie repose sur la perspective et son interprétation. Au fond, la photogrammétrie prend le processus photographique à rebours. Alors que la photographie prend un objet ou une scène et l’aplatit pour créer une image 2D, la photogrammétrie fait exactement l’inverse. Elle examine cette représentation 2D et construit un modèle 3D à partir d’indices contenus dans les images.
Comment le fait-elle concrètement ?
Nous savons que les appareils photo voient les objets de la même façon que l’œil humain. Par exemple, plus un objet est proche de l’objectif, plus il apparaît grand. Un exemple de ceci est la façon dont une route droite semble s’effiler au loin même si sa largeur reste en réalité identique.
Une démonstration plus élaborée de ce concept apparaît dans un texte rédigé par Albrecht Dürer en 1525, Le Manuel d’un peintre. Il décrit deux hommes qui tentent de créer un dessin géométriquement précis d’un luth. Ils placent le luth sur une table devant une fenêtre dont la vitre a été remplacée par une toile. Ils attachent une corde à un point du mur où se trouverait l’œil d’un observateur et la font passer à travers la fenêtre ouverte.
Gravure datant de 1525 et issue du Manuel d’un peintre, d’Albrecht Dürer, qui fait la démonstration de la perspective géométrique. La photogrammétrie utilise ce concept pour obtenir des données 3D à partir d’images 2D.
Ensuite, ils déplacent l’autre extrémité de la corde autour de différents points sur le luth, en notant la position de la corde dans la fenêtre pour chacun de ces points et en dessinant un point sur la toile pour chaque position de la corde dans le châssis de la fenêtre. Ils obtiennent ainsi une image matricielle géométriquement précise du luth.
La photogrammétrie s’appuie sur ces principes pour déduire les dimensions et les propriétés physiques d’objets. Avec suffisamment d’images superposables fournissant les informations spatiales nécessaires, il est possible de reconstruire un modèle 3D d’un objet ou d’une scène entière.
La triangulation
Posséder des images superposables est essentiel à la photogrammétrie. En identifiant les mêmes points sur une multitude d’images et en tenant compte de paramètres tels que la position et l’orientation de l’appareil photo pour chaque cliché, sa distance focale, la distorsion optique, et d’autres variables, il est possible de déterminer où ces points se situent dans l’espace 3D. C’est la triangulation.
La triangulation identifie les points communs sur des photos se superposant et détermine leurs positions dans l’espace 3D par rapport aux positions connues de l’appareil photo.
Lorsqu’un point est identifié sur au moins deux photos prises depuis différents emplacements connus, on peut tracer des lignes imaginaires à partir des deux positions de l’appareil photo en direction de ce point. On détermine ensuite mathématiquement où les lignes se croisent. Les lignes convergentes nous donnent les coordonnées XYZ du point recherché. Avec suffisamment de points, on peut construire un modèle de la scène.
Intuitivement, les êtres humains font en réalité exactement la même chose. Au fond, c’est comme si nous nous promenions avec deux petits appareils photo dans la tête, légèrement espacés et qui nous aident à percevoir la profondeur et la distance.
Échelle et orientation
Une remarque toutefois, c’est que les modèles photogrammétriques ont des proportions mais pas d’échelle. Afin de mettre le modèle à l’échelle, au moins une distance doit être connue.
De la même façon, notre cerveau a également besoin d’un objet familier pour l’aider à estimer la taille de ce que nous regardons. Ce qui ressemble au premier abord à un vrai immeuble sur une photo peut se révéler être un modèle réduit lorsqu’une pièce de monnaie est placée à côté. En photogrammétrie, l’équivalent de cette pièce sera une barre d’échelle.
La photogrammétrie fournit les proportions mais pas l’échelle. Sans barre d’échelle graduée en forme de T, il est impossible de dire à quel point ce vilebrequin est grand (ou petit).
Les barres d’échelle sont des barres linéaires graduées sur lesquelles des marqueurs imprimés appelés « cibles » ont été collés. Les cibles des barres d’échelle sont codées. Cela signifie qu’un logiciel peut identifier chaque cible individuellement. Les cibles non codées (telles celles se trouvant sur le vilebrequin sur l’image) fournissent simplement des points de référence de haut contraste qui permettent d’assembler précisément les images. Elles ne sont pas identifiables individuellement.
Les cibles des barres d’échelle sont séparées par une distance connue et peuvent, par conséquent, être utilisées pour mettre l’image à l’échelle. Afin de garantir cohérence et précision, les barres d’échelle sont fabriquées à l’aide de matériaux dont les dimensions ne varient pas sensiblement en fonction des changements de température.
Des cibles sont également placées autour de la scène avant que des photos ne soient prises pour fournir des points de référence solides qui seront associés parmi les différentes images se superposant lorsque les photos seront assemblées.
Les logiciels de photogrammétrie peuvent automatiquement reconnaître et associer des cibles codées parmi des images, et utiliser ces informations pour aligner les images et déterminer l’orientation du modèle. Les cibles non codées servent à vérifier la précision du modèle une fois que le logiciel a traité celui-ci.
De l’importance de la cohérence et de la qualité
Plusieurs facteurs influent sur les résultats que pouvez produire avec la photogrammétrie. Le matériel, tel que les appareils photo, les objectifs, etc., détermine la qualité maximale que vous pouvez obtenir. Sans surprise, la qualité des images – la résolution, la netteté, la profondeur de champ, et autres – est également cruciale. Nous nous y attarderons plus tard.
Toutefois, la manière dont les photos sont prises est tout aussi importante que leur qualité.
L’essentiel est de s’assurer que l’objet est photographié en entier. Un conseil utile est d’effectuer plusieurs cercles autour de l’objet, en prenant systématiquement des photos à différentes distances de façon à ce que les positions de l’appareil photo créent une sorte de dôme autour de lui. Pour les objets plus petits, les photographies seront naturellement moins nombreuses. Quoi qu’il en soit, veillez toujours à faire la mise au point sur l’intégralité de l’objet sur toutes les photos pour des résultats optimaux.
Pour des résultats optimaux, il est recommandé d’effectuer plusieurs cercles autour de l’objet, en prenant systématiquement des photos à différentes distances.
Pour les objets ou les scènes plus grands dont on ne peut faire le tour – la façade d’un bâtiment par exemple –, l’appareil photo peut être déplacé le long d’une ligne droite parallèle à la façade du bâtiment. Plusieurs balayages peuvent être nécessaires pour capturer l’intégralité de la scène.
L’ESSENTIEL
La photogrammétrie prend le processus photographique à rebours. En regardant une multitude de photos et en appliquant des principes liés à la perspective géométrique, nous pouvons produire un modèle 3D à partir de données 2D.
Avec la photogrammétrie aérienne, l’appareil photo est fixé à un véhicule aérien tel qu’un drone et dirigé vers le bas. Si vous souhaitez également photographier les côtés d’objets verticaux comme des bâtiments ou des arbres, il peut être judicieux d’incliner l’appareil photo de façon à capturer correctement ces surfaces. Ici encore, la cohérence est cruciale.
Les types d’algorithmes photogrammétriques
À de nombreux égards, la photogrammétrie fonctionne comme la vision humaine. Chacun de nos yeux enregistre constamment des images qui se superposent et que nous utilisons pour percevoir la profondeur et la distance. De la même façon, pour que la photogrammétrie fonctionne bien, nous avons besoin d’un jeu de photos prises correctement et offrant suffisamment d’informations sur la scène afin d’extrapoler les données nécessaires.
À la différence des êtres humains, toutefois, la photogrammétrie n’a pas le luxe de pouvoir prendre un nombre illimité de photos. La quantité d’images nécessaires pour glaner les informations dont nous avons besoin variera en fonction de la taille et de la complexité de l’objet ou de la scène, et – peut-être plus important encore – des besoins du projet.
Par conséquent, si les concepts sous-jacents qui se cachent derrière la photogrammétrie restent identiques, ses algorithmes se divisent en deux grandes catégories en fonction des besoins du projet.
La photogrammétrie pour l’ingénierie
Si vous êtes un ingénieur en train de créer un modèle d’un objet à des fins de contrôle qualité, de rétro-ingénierie, ou quoi que ce soit d’autre, vous n’avez pas forcément besoin de chaque pixel dans l’image. Pour tracer une droite, par exemple, il vous suffit de connaître les positions de deux points.
C’est là le concept derrière ce qui est parfois appelé la photogrammétrie métrique. Dans cette branche de la photogrammétrie, l’accent est mis sur la précision. L’objectif est d’obtenir des mesures et des calculs exacts à partir de photographies en déterminant, le plus précisément possible, les emplacements relatifs de certains points pertinents sur les images.
En photogrammétrie métrique, l’algorithme extrait un modèle basé sur un certain nombre de points pertinents. L’objectif est la précision, et non l’acquisition de chaque surface.
Les ingénieurs placent par conséquent des cibles reconnaissables par l’algorithme dans les zones d’intérêt. L’algorithme utilise ces cibles pour construire un modèle. Le résultat est une sorte de squelette de points pertinents, et non un nuage de points dense de toutes les surfaces.
Des cibles sont collées sur l’objet pour faciliter l’identification et l’alignement des zones superposables parmi les images.
Ces points ciblés définissent la taille, la forme et la position des caractéristiques d’un objet en mettant l’accent sur la précision. Les points peuvent être utilisés avec fiabilité pour calculer des distances, des zones, voire le dénivelé afin de créer une carte topographique, ou des volumes et des coupes transversales pour d’autres utilisations techniques.
La photogrammétrie pour la modélisation 3D couleur
En revanche, des domaines d’utilisation tels que le développement de jeux vidéo, les effets spéciaux numériques au cinéma, ou la conservation du patrimoine, exigent des rendus réalistes d’objet réels. En règle générale, plus votre modèle contient de pixels et de détails, mieux c’est. Les spécialistes travaillant dans ces secteurs d’activité possèdent souvent ce qui se fait de mieux en matière d’équipement photographique et ont par conséquent déjà tout le matériel nécessaire pour la photogrammétrie.
Repérez les différences : modèle 3D issu de la photogrammétrie (à gauche) et modèle produit par Artec Leo – un scanner qui numérise aussi la texture.
Néanmoins, la forme finale du modèle est souvent imparfaite. Qui plus est, le nombre d’artefacts et la quantité de bruit que vous devez inévitablement gérer lorsque vous utilisez la photogrammétrie sont beaucoup plus importants. En définitive, vous obtenez un modèle avec une texture de haute définition mais aussi beaucoup de bruit et une géométrie imparfaite. Par le passé, les scanners 3D professionnels, qui capturent la géométrie avec brio, se heurtaient parfois à des surfaces brillantes, transparentes ou noires, mais le problème se pose de moins en moins et la technologie prend réellement son essor dans le domaine de la CGI.
Géométrie d’un scanner 3D combinée à la texture d’un appareil photo pour créer un modèle réaliste et précis.
Pour ce genre de projets, il vaut mieux combiner la photogrammétrie à un scanner 3D pour des résultats optimaux. Nous explorerons davantage ce point dans le chapitre consacré à l’utilisation combinée des scanners 3D et de la photogrammétrie.
L’ESSENTIEL
Deux branches de la photogrammétrie existent : les technologies de mesure habituellement utilisées dans l’ingénierie, et la visualisation couleur destinée à créer des modèles 3D incroyablement réalistes d’objets réels pour les effets spéciaux numériques.
Le matériel de photogrammétrie
Comme nous l’avons déjà mentionné avec les cibles et les barres d’échelle, l’équipement joue un rôle important dans le processus de photogrammétrie.
La raison en est que les résultats dépendent entièrement des images utilisées. Des éléments tels que la résolution, la luminosité, et la profondeur de champ jouent tous un rôle crucial dans la précision et la fiabilité des mesures du modèle obtenu. Des photos détaillées et nettes sont essentielles.
Bien qu’il soit aisé de se perdre dans la multitude d’équipements photographiques, quelques conseils utiles méritent d’être évoqués. Les photographes, ou quiconque s’y connaissant en appareils photo, ont déjà une longueur d’avance. Si des termes comme « focale » et « ouverture » sont inhérents à votre travail ou à vos loisirs, vous pouvez ignorer les sections suivantes et passer directement aux domaines d’utilisation de la photogrammétrie.
Capteurs
Les appareils photo et les caméras peuvent avoir une multitude de formes et de tailles, de l’appareil photo de votre téléphone portable à la vidéosurveillance, en passant par la GoPro et autre équipement vidéo professionnel. Leur utilité pour votre projet peut dépendre de la taille de leurs capteurs.
Un capteur est à un appareil photo ce que la rétine est à l’œil humain. Il enregistre l’image qui traverse l’objectif et détermine la quantité de détails que vous pouvez capturer. Plus le capteur est grand, plus vous acquérez de points, ce qui se traduit par un niveau de détail plus élevé.
Le capteur situé à l’intérieur d’un appareil photo enregistre l’image qui traverse l’objectif, et détermine le nombre de pixels qui seront présents sur votre photo.
Ainsi, si un petit appareil photo compact peut convenir dans les bonnes conditions d’éclairage, un reflex numérique haut de gamme doté d’un capteur plein format (faisant parfois 30 fois la taille du compact) fournira bien plus de pixels et donc une bien meilleure résolution pour le modèle 3D.
La taille du capteur influe également sur ce qu’on appelle le « crop factor ». Une lentille identique sur deux capteurs différents capturera différentes portions de la scène parce qu’un capteur plus petit peut « voir » moins, tandis qu’un capteur plus grand couvre davantage de la scène sur chaque photographie.
Lentilles
La lentille est la prochaine pièce cruciale du puzzle. C’est elle qui dévie la lumière et la dirige sur le capteur de l’appareil photo. Elle détermine ce qui est net, l’exposition, le grossissement, ainsi qu’à quel point l’angle de champ est large ou étroit sur l’image.
La lentille est ce qui dévie la lumière et la dirige sur le capteur de l’appareil photo. Elle a un effet direct sur la qualité de vos images.
L’objectif est constitué d’un morceau de verre incurvé à une extrémité, et de son ouverture (l’orifice mécanique à travers lequel la lumière entre dans l’appareil photo) à l’autre extrémité. L’image est captée lorsque l’obturateur de l’appareil photo s’ouvre et se ferme, laissant brièvement la lumière traverser l’ouverture pour se poser sur le capteur. Tous ces éléments se combinent pour déterminer les caractéristiques de l’image et sont par conséquent importants en photogrammétrie.
Distance focale
La focale est la distance optique calculée en millimètres entre le capteur de l’appareil photo et le point de la lentille où les rayons de lumière convergent. La focale détermine l’angle de champ et le grossissement. Un nombre plus petit (une focale plus courte) signifie un champ de vision plus large et un grossissement plus faible, autrement dit l’appareil photo peut capter davantage la scène. En photogrammétrie, la focale est généralement fixe.
La focale de l’objectif détermine le grossissement et le champ de vision, autrement dit quelle part de la scène peut être captée.
Ouverture
C’est un nombre, exprimé en f / N, qui décrit à quel point le diaphragme de l’objectif s’ouvre pour laisser entrer la lumière dans l’appareil photo. Chaque f / N double la quantité de lumière entrante. Cela peut surprendre, mais un nombre élevé comme f-32 est synonyme d’une petite ouverture, tandis qu’un nombre peu élevé signifie que l’ouverture est grande.
L’ouverture détermine directement la profondeur de champ, c’est-à-dire à quel point la scène est nette. Une large ouverture gardera nette une fine couche de l’image et floutera le reste. Cela peut bien donner dans un portrait par exemple, où vous avez un sujet ultra-net, et un arrière-plan joliment flou. Ce genre de flou est également appelé bokeh.
L’ouverture détermine la profondeur de champ, autrement dit à quel point la scène est nette.
Pour la photogrammétrie, il faut qu’un maximum de la scène soit net. Les images floues compliquent l’assemblage des photos.
Nous pouvons maintenant passer à un autre type de flou : le flou cinétique.
Vitesse d’obturation et flou cinétique
La vitesse d’obturation est la durée lors de laquelle l’obturateur de l’appareil photo reste ouvert et laisse la lumière se poser sur le capteur. Elle est généralement exprimée en fractions de seconde. En plus d’influer sur la quantité de lumière se posant sur le capteur, la vitesse d’obturation est également directement liée au flou cinétique.
Si le sujet, ou l’appareil photo, bouge alors que l’obturateur est ouvert, la photo obtenue sera floue. Une illustration éloquente de cet effet est la façon dont une photo d’un hélicoptère en vol stationnaire avec une vitesse d’obturation suffisamment élevée figera les pales du rotor en mouvement, tandis qu’une vitesse d’obturation plus lente floutera le mouvement de sorte que les pales ne seront pas visibles.
Si vous tenez votre appareil photo pour prendre des photos, vous devrez utiliser une vitesse d’obturation suffisamment élevée pour contrer les légers mouvements de vos mains. Vous pouvez aussi utiliser un trépied pour faire en sorte que l’appareil photo reste parfaitement immobile.
La vitesse d’obturation détermine le flou cinétique. Une vitesse d’obturation plus élevée fige l’action tandis qu’une vitesse plus lente la floute.
En définitive, tous ces facteurs doivent être minutieusement pris en compte pour garantir l’obtention des meilleurs résultats possible avec la photogrammétrie.
L’ESSENTIEL
Étant donné que la photogrammétrie s’appuie sur la qualité des images utilisées, il est crucial de bien comprendre les concepts de la photographie. La résolution de l’image, les différentes propriétés de l’objectif, et les réglages de l’appareil photo tels que la distance focale, la vitesse d’obturation et autres, jouent un rôle crucial.
Domaines d’utilisation de la photogrammétrie
La popularité de la photogrammétrie n’est pas uniquement due à sa polyvalence et à son coût, mais aussi à son efficacité sur de longues distances. Examinons quelques-unes de ses utilisations les plus fréquentes.
Les grands projets d’ingénierie
La photogrammétrie aérienne est fréquemment utilisée par les ingénieurs sur de grands projets de construction.
Compte tenu de sa précision lors du scan sur de longues distances, la photogrammétrie est utilisée par les ingénieurs qui ont recours à des drones ou à des avions pour planifier et évaluer de gros projets de construction. Par exemple, l’emplacement et le design d’autoroutes. Les données issues de la photogrammétrie métrique peuvent servir à calculer les activités de terrassement nécessaires et à fournir des informations essentielles aux ingénieurs civils sur le terrain. Elle est également importante pour évaluer l’avancée de projets grâce aux rendus 3D qu’elle fournit à chaque étape.
Cinéma et divertissement
Grâce à la photogrammétrie, les industries du jeu vidéo et du cinéma peuvent améliorer leur capacité à créer des environnements réalistes. En combinant la photogrammétrie et les scanners 3D, les réalisateurs peuvent créer des décors à partir de modèles précis provenant du scan 3D et recouverts d’informations sur la couleur issues de la photogrammétrie. De la même façon, les concepteurs de jeux vidéo sont capables de créer des assets convaincants et de haute qualité ainsi que des environnements réalistes.
Prenons l’exemple du jeu de tir à la première personne moderne du développeur de jeux vidéo The Farm 51 : World War 3. Grâce à des scanners 3D à lumière structurée portables, le studio a pu numériser rapidement tous les éléments, des sacs aux personnes, et transformer les données capturées en modèles de personnages ultra-réalistes.
Criminalistique
La photogrammétrie joue un rôle crucial pour l’investigation de scènes de crime et la criminalistique.
La photogrammétrie métrique joue également un rôle important en criminalistique et lors de l’investigation de scènes de crime. Dans de nombreux cas, ce sont les petits détails qui changent la donne. Pouvoir numériser précisément une scène de crime ou d’accident avec des mesures précises peut être crucial non seulement lors d’affaires judiciaires mais, peut-être encore plus, pour rendre l’environnement plus sûr.
Un exemple de cela est la manière dont, en analysant les traces de pneus sur une photo d’une route, des enquêteurs ont pu déterminer si les traces de dérapage correspondaient aux dimensions d’une voiture conduite par une femme, ainsi que sa position sur la route par rapport au second véhicule qui avait percuté sa voiture et l’avait grièvement blessée. La photogrammétrie métrique s’est avérée cruciale pour éclaircir les comptes-rendus contradictoires sur l’emplacement des deux véhicules lors de l’accident.
Ces applications ne sont pas non plus l’apanage de la photogrammétrie. Le scan 3D pour la criminalistique est également une tendance émergente qui ne cesse de prendre de l’ampleur. Que ce soit pour la numérisation de scènes de crime or la reconstitution d’accidents de la route, le scan 3D professionnel précis et haute vitesse permet déjà aux enquêteurs de collecter des preuves dans les affaires judiciaires.
Arpentage
La photogrammétrie aérienne est souvent utilisée par les municipalités locales et les ingénieurs civils pour l’arpentage.
La photogrammétrie métrique est également utilisée par les équipes de construction, les architectes, et les municipalités pour déterminer les limites d’une propriété, planifier des projets de construction, ou analyser des données. Les images satellites fournissent aussi ces informations, mais la photogrammétrie aérienne offre souvent une meilleure précision pour des zones d’intérêt spécifiques.
À l'échelle d'un bâtiment, de nombreux ingénieurs et architectes utilisent également le scan LiDAR pour obtenir des modèles de site détaillés et améliorer l'efficacité. Dans les usines, des entreprises comme Dodman Ltd créent même des jumeaux numériques pour la planification et la maintenance. Dans son cas, l’entreprise a découvert que la combinaison du LiDAR et des scanners 3D portables représentait la meilleure solution de numérisation, puisqu’elle a capturé en moins d'une journée un site de production entier en haute résolution.
La photogrammétrie dans l’immobilier
La photogrammétrie sert aussi à créer des modèles virtuels de maisons pouvant être visualisés par des propriétaires potentiels. Beaucoup d’acheteurs se fient déjà aux annonces en ligne pour prendre leur décision. Depuis le Covid-19, cette tendance à la visualisation en ligne s’est encore accélérée. À moindre coût, la photogrammétrie moderne permet aux agences immobilières de créer une expérience virtuelle des maisons dont elles font la promotion.
Cartographie
Utilisant des photos prises par des drones, des avions ou des satellites, la photogrammétrie sert à cartographier des terrains en 3D. Grâce aux images en haute résolution prises depuis des véhicules aériens ou submersibles, il est possible de créer des modèles de zones difficiles d’accès – y compris sous l’eau –, et ce bien plus rapidement.
Des photos prises par des drones, des avions ou des satellites servent à cartographier des terrains en 3D.
Google Earth est à ce jour le projet le plus ambitieux qui recourt à la photogrammétrie pour créer des images précises du relief terrestre. Google utilise des milliards d’images provenant d’une multitude de sources – Street View, imagerie aérienne et satellite – et les assemble pour montrer les détails d’une zone, y compris les distances précises entre des objets comme des routes, des marquages au sol, des bâtiments et des cours d’eau.
Archéologie
En archéologie, la capacité à cartographier une zone et à comprendre la disposition et la structure d’un site est absolument essentielle. La photogrammétrie métrique offre aux archéologues la possibilité de cartographier une zone et d’enregistrer les artefacts intéressants rapidement et précisément. La capacité à partager les rendus 3D facilite aussi la coopération avec d’autres archéologues qui ne sont parfois pas sur le terrain.
Il en va de même pour le scan 3D dans le domaine de l’archéologie. En collaboration avec Time Team, Shadow Tor Studios a même déjà utilisé cette technologie pour capturer des découvertes en temps réel. S’il s’agit davantage d’une étude de cas de numérisation que de mesure, le réalisme et la rapidité avec lesquels les données ont été capturées et modélisées en 3D sont tout de même assez impressionnants !
Un des domaines d’utilisation les plus courants de la photogrammétrie est la conservation du patrimoine.
L’ESSENTIEL
La photogrammétrie est utilisée dans une grande variété de scénarios dans de nombreux secteurs d’activité. Elle est largement appliquée dans des situations où des mesures sont nécessaires ou bien pour modéliser des objets réels.
Quand ne pas utiliser la photogrammétrie
Il faut garder plusieurs éléments à l’esprit lorsque vous décidez d’utiliser la photogrammétrie. Pour faire simple, tout dépend des besoins du projet.
La photogrammétrie métrique sans équipement spécialisé
Si votre but est d’effectuer des mesures précises et que les informations sur la couleur ne sont pas une priorité, vous ne devriez utiliser la photogrammétrie que si vous possédez un bon kit de photogrammétrie spécialement conçu pour les applications liées aux mesures – tels les systèmes de photogrammétrie haut de gamme de Hexagon. Ceux-ci sont fournis avec un appareil photo numérique, un jeu de cibles, et un ensemble de barres d’échelle graduées précises qui garantiront que vous êtes parfaitement équipé pour votre tâche.
Kit de photogrammétrie complet spécialement conçu pour les applications liées aux mesures.
Gardez néanmoins à l’esprit que, malgré sa précision, même ce genre de kit produira un nuage de points épars comparé à un bon scanner 3D.
Si vous devez mesurer avec une absolue certitude, vous pouvez également investir dans un système de mesure optique 3D dédié, comme le kit de métrologie Artec. Dans le domaine de l’inspection industrielle, ce kit est idéal, car il offre à la fois une grande précision sur la distance en tant que solution de mesure indépendante et sert d’outil de référencement plus que performant.
Haute précision avec un nuage de points dense
Si vous avez besoin d’un nuage de points dense ainsi que de précision, un scanner comme Artec Eva, capable de numériser et de traiter simultanément jusqu’à deux millions de points par seconde avec une précision maximale de 0,1 mm, est un bien meilleur choix.
Fort d’une technologie de scan à lumière structurée, Eva scanne précisément des objets de toutes sortes, y compris des objets aux surfaces noires et brillantes, sans avoir besoin de cibles, ce qui en fait une excellente solution complète.
Données de couleurs et de texture sans appareil photo haut de gamme
Si, au contraire, vos besoins photogrammétriques ne sont pas liés à des mesures et que vous utilisez principalement la photogrammétrie pour capter la texture, vous devriez d’abord vous assurer que l’équipement photo que vous utilisez pour la photogrammétrie offre une meilleure qualité qu’un scanner comme Artec Space Spider ou Artec Leo – deux scanners numérisant la texture.
Si vous utilisez la photogrammétrie pour capter la texture, assurez-vous que l’appareil photo que vous utilisez offre une meilleure qualité qu’un scanner capturant la texture, tel Artec Space Spider ou Artec Leo.
Les professionnels de l’industrie du cinéma ou de la conception de jeux vidéo possèdent en général un équipement photographique de pointe. Ce matériel spécialisé produit des images d’une qualité extrêmement élevée, surpassant très probablement la texture captée par la caméra d’un scanner 3D moyen.
Cela dit, ce type de photogrammétrie n’utilise pas de cibles et est donc susceptible de causer des imprécisions. Même avec un appareil photo de haute qualité, il est donc judicieux d’utiliser en outre un scanner 3D professionnel qui produira un modèle précis à combiner avec la texture captée par l’appareil photo. Tous les scanners Artec 3D sont capables de numériser sans cibles et sont une excellente option à utiliser de pair avec ce type de photogrammétrie.
À mesure que le programme de capture et de traitement des données de scan 3D Artec Studio évolue, il améliore de plus en plus la qualité grâce à la photogrammétrie, pour obtenir le meilleur des deux mondes : une géométrie de premier ordre et des textures photoréalistes.
Les principaux inconvénients de la photogrammétrie
D’une manière générale, les inconvénients de la photogrammétrie sont son côté chronophage, la nécessité de bien s’y connaître pour l’utiliser correctement, sachant qu’elle peut ne pas produire pour autant les résultats escomptés si toutes les conditions ne sont pas remplies. Il vous faudra peut-être prendre des dizaines, voire des centaines, de photos une par une et veiller à ce que chaque cliché soit d’une qualité suffisante et que les images se superposent correctement.
Par ailleurs, à moins que vous ayez pris soin de préparer la scène avec un éclairage contrôlé, vous devrez également vous assurer de l’absence de modifications sensibles de la luminosité entre plusieurs photos. Une ombre sur votre objet sur une photo, par exemple, apparaîtra également dans le modèle final.
La photogrammétrie exige un éclairage homogène et adéquat. Vous devez donc planifier et préparer votre scène en conséquence.
La plupart des scanners 3D portables produisent quant à eux leur propre lumière et illumineront le sujet lors du scan. Ainsi, à moins que votre objectif ne soit d’obtenir une texture de bonne qualité à partir de votre scan, vous ne devrez pas autant vous soucier de la lumière qu’avec la photogrammétrie. Avec les scanners 3D portables, peu de préparatifs sont nécessaires en amont du scan d’une scène.
L’ESSENTIEL
Il vaut généralement mieux utiliser un scanner 3D si vous souhaitez un nuage de points dense et hautement précis. La photogrammétrie fonctionne bien si vous voulez une texture photoréaliste et que vous avez un excellent appareil photo – meilleur que la caméra d’un scanner 3D. Utilisez la photogrammétrie pour les mesures uniquement si vous disposez d’un kit professionnel et que vous êtes satisfait d’obtenir un nuage de points épars.
L’Artec Leo sans fil est équipé d’un écran tactile qui offre un retour d’information en temps réel, pour une expérience de scan entièrement mobile et intuitive. Avec un traitement embarqué, une batterie intégrée et un niveau de connectivité sans fil qui permet de diffuser sur un second appareil, Leo donne aux utilisateurs la possibilité de scanner comme s’ils réalisaient une vidéo : il suffit de pointer, de cliquer et c’est parti.
Cela dit, la photogrammétrie a aussi ses avantages. Elle peut être réalisée à moindre coût que le scan 3D. Elle fonctionne également bien lorsque vous scannez une zone vaste de plusieurs mètres.
Combiner la photogrammétrie et le scan 3D
En résumé : si la texture est secondaire et qu’il vous importe plus de produire des nuages de points denses avec un bruit minime et une très haute précision, le scan 3D est la solution. Les meilleurs scanners 3D fournissent une capacité de scan extrêmement rapide, un traitement automatique, et une précision de point 3D maximale de quelques fractions de millimètre.
Toutefois, si votre projet exige une texture et des modèles réalistes et pas nécessairement un équipement photographique de pointe, il peut être intéressant de se tourner vers la photogrammétrie. L’inconvénient étant qu’en utilisant la photogrammétrie pour la texture, vous devez vous contenter d’une géométrie imparfaite. La raison en est que si vous voulez de la texture, il vous faut davantage de photos, or celles-ci sont prises sans cibles. Ceci s’accompagne de beaucoup de bruit et d’artefacts, et d’une perte invariable de précision.
Si vous avez besoin d’une texture et de modèles réalistes et que vous possédez un équipement professionnel, la photogrammétrie est une bonne solution – mais elle ne produira pas la précision géométrique qu’offre un scanner 3D.
Vous pouvez toujours gagner sur tous les fronts en combinant les données de la photogrammétrie et du scan 3D, une technique présentée dans la vidéo ci-dessous, où la photogrammétrie a été utilisée avec Artec Eva pour produire ce sublime modèle d’une voiture.
Les données géométriques d’un scanner 3D peuvent être combinées à la texture d’un appareil photo de pointe pour créer un rendu hautement précis.
Ou prenez ce superbe rendu d'une chaussure de sport scannée à l’aide d’un Artec Space Spider portable, par exemple. Le modèle final a été assemblé à partir de plus de 300 photos et combiné aux données scannées. Les couleurs sont riches et le niveau de détail est tout bonnement époustouflant.
Combiner les deux est la solution optimale et celle privilégiée par les professionnels les plus pointilleux. Par exemple, les clichés pris par plusieurs appareils photo placés autour du président Barack Obama ont été combinés aux données scannées par Artec Eva pour créer le premier portrait 3D d’un président américain.
Les appareils photo ont fourni une texture détaillée et riche, tandis que la précision du scanner 3D a produit une structure avec un bruit minime que la texture a ensuite recouverte.
L’ESSENTIEL
Utiliser un appareil photo haut de gamme pour la texture et un scanner 3D professionnel pour les données géométriques puis combiner les deux à l’aide d’un logiciel comme Artec Studio vous donnera les meilleurs résultats : une texture renversante et des données géométriques extrêmement précises et quasiment dépourvues de bruit.
Logiciels de photogrammétrie
Il existe une grande variété de logiciels de photogrammétrie sur le marché. En cherchant un peu, vous pouvez trouver tout ce qui va des applications gratuites à des logiciels coûtant plusieurs milliers d’euros. Encore une fois, tout dépend de vos besoins et des ressources qui vous sont accessibles.
Si vous débutez encore avec la photogrammétrie, c’est peut-être une bonne idée de commencer avec des solutions gratuites comme 3DF Zephyr, Meshroom, ou Visual SFM. Celles-ci offrent toutefois des fonctionnalités limitées et peuvent être plus lentes ou produire des résultats moins précis. Vous pourriez aussi avoir besoin d’installer des plug-ins additionnels pour pouvoir effectuer des actions comme la création de maillages texturés en couleur.
S'il vous faut plus d’outils, vous pouvez opter pour des options plus complètes comme Elcovision, iWitness ou Photomodeler. MetaShape, Pix4D, et Reality Capture sont également populaires.
Pour celles et ceux qui utilisent la photogrammétrie pour la métrologie, un pack tel Aicon 3D Studio de Hexagon offre des outils intelligents et puissants pour le contrôle, la surveillance et l’analyse de la production.
Pour les spécialistes des effets spéciaux numériques ou quiconque souhaitant le nec plus ultra à la fois en matière de géométrie et de qualité de la texture, Artec Studio offre un workflow aisé qui vous permet d’obtenir une géométrie parfaite ainsi qu’une excellente qualité de texture. Grâce à la mise à jour du logiciel, la cartographie de la texture sur les données du maillage issues d’un scanner 3D ne demande aucun effort.
Les scanners 3D primés d’Artec sont capables de scans extrêmement précis et atteignent des chiffres de référence dans le secteur, telle une précision maximale de 0,05 mm pour Artec Space Spider, un des modèles portables, et une précision maximale encore plus élevée de 5 micromètres avec le scanner de bureau Artec Micro II.
Grâce aux fonctionnalités puissantes d’Artec Studio, vous pouvez aligner automatiquement des photographies parfaitement pixellisées provenant d’un appareil photo de haute résolution, avec des scans 3D issus de scanners précis de qualité métrologique, et ainsi obtenir des modèles 3D incroyablement réalistes.
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