La photogrammétrie (création d’un volume en 3D)
Description:
La photogrammétrie est une technique qui consiste à effectuer des mesures dans une scène, en utilisant l’incidence du changement de position de l’observateur sur l’observation d’un objet.
Actuellement, elle se fait avec des calculs de corrélation entre des images numériques. Cette technique repose entièrement sur une modélisation rigoureuse de la géométrie des images et de leur acquisition afin de reconstituer une copie 3D exacte de la réalité.
Dans ce tuto je ne vais pas développer entièrement le traitement des images, mais simplement vous faire découvrir ce domaine, car le traitement demande beaucoup de temps et je ne suis qu’un modeste débutant, mon but est de vous faire découvrir les grandes lignes de la modélisation 3D.
Les domaines d’utilisation :
La topographie, la cartographie, les SIG (Système d’Information Géographique), l’architecture, les investigations de police, la géologie, l’archéologie
Ci-dessous un aperçu du résultat final (pour réduire cliquez sur les flèches ou echap)
Pour agrandir un volume 3D, cliquer sur la double flèche, zoome avec la molette de la souris, pour réduire double flèche ou Echap.
Quelques logiciels :
Photoscan d’Agisoft, outil impressionnant, mais qui n’est pas donné.
Le logiciel 123D Catch d’Autodesk. l’avantage est qu’il propose des applications gratuites pour smartphone ou directement sur internet.
Pix4d, 3Dflow, vous en trouverez bien d’autres sur internet
La prise de vue et le traitement de l’image
Choix de l’appareil: la qualité de l’image est très importante pour ce type de traitement, il faut éviter les petits capteurs, de préférence un bridge, un compact expert, ou un réflex feront l’affaire.
Cadrage vertical ou horizontal: il faut cadrer au mieux votre objet, ce qui permet de réduire les éléments parasites. Ensuite, surtout, ne plus changer par la suite et désactiver le cadrage automatique sur votre appareil.
L’éclairage: il faut utiliser la lumière naturelle ou travailler en studio. Ne pas utiliser de flash
Choix de la focale: Vous devez utiliser la même focale pour toutes vos vues, il faut éviter les zooms car à la moindre variation de focale les calculs deviennent longs voir impossibles. Il faut éviter les focales très courtes genre fish-eye car la déformation est trop importante, ce qui rend les calculs impossibles. Il est préférable d’utiliser une focale fixe qui en général, offre une meilleure qualité optique. Les focales les plus courantes vont de 24 à 100mm.
La prise de vue :Il s’agit de prendre une série de photos de votre sujet sur tous les angles de manière à saisir toutes les faces de celui-ci. L’avantage des drones pour l’architecture est de pouvoir photographier un monument sous tous ses angles.
Le format photo :Utiliser le format 4/3, qui est plus facile à traiter
L’ouverture : elle doit être faible de manière à augmenter la profondeur de champ, l’hyperfocale doit être utilisée pour obtenir une bonne netteté sur tout votre sujet.
La résolution : Il faut des images en haute résolution, le jpg (fin) fonctionne bien, mais le RAW est préférable.
Mode de prise de vue : Le mode manuel est préférable, mais le mode AF convient également, il faut éviter le mode automatique.
La balance des blancs : Il faut désactiver la balance des blancs automatique et choisir celle qui se rapproche au mieux. Cette valeur doit être la même pour toutes les vues . Vous pourrez par la suite retravailler cela au post-traitement.
La sensibilité: il faut travailler en iso faible, quitte à prendre un pied.
Nombre de photos par rotation : si votre sujet est peu structuré, il faut augmente le nombre de vues, soit environ 25 photos par rotation autour de votre sujet. Pour un sujet coloré et très structuré, vous pouvez utiliser 12 photos par rotation, par exemple, cette chouette.
Acquisition d’un volume simple et bien texturé.
Important : vous devez utiliser la même focale pour toutes les vues.
Si votre volume est peu structuré, par exemple une statue en ciment, il faut augmenter le nombre de photos (voir Acquisition de volume complexe ci-dessous).
Fig:A – Il faut effectuer un minimum de 10 à 12 photos par rotation, il faut respecter un chevauchement entre deux photos de 50 à 70% (A).
Fig:B – Sur un volume simple, trois niveaux de rotation seront suffisants (A,B,C), la rotation A n’est pas obligatoire si vous ne désirez pas visionner l’intérieur.
Acquisition d’un volume complexe où toutes les zones doivent être couvertes
Important : Vous devez utiliser la même focale pour toutes les vues, que ce soit de près ou de loin.
Fig:A – Il faut effectuer un minimum de 25 à 30 photos par rotation.
Fig:B – Il faut également effectuer plusieurs niveaux de rotations (A,B,C,D)de manière à saisir toutes les parties de votre sujet. Vous pouvez également faire des plans rapprochés pour certains détails à condition de ne pas être trop près (E,F).
Il faut que chaque photo se superpose à la précédente de 50à 70% environ, comme sur l’exemple précédent.
Augmenter le nombre de photos sur les angles
Lorsque vous avez des volumes angulaires bâtiment ou autre il faut augmenter le nombre de photos sur ces angles de manière à faciliter le calcul du nuage de points.
Il faut cadrer au plus près
Sur la photo de gauche, le cadrage est large, ce qui laisse apparaître des arbres en arrière plan, si vous gardez cette photo pour le traitement du nuage de points, l’arrière-plan sera pris en compte dans les calculs ce qui va allonger considérablement la durée de ces calculs.
Les solutions :
Cadrer au plus près votre sujet à la prise de vue,
Détourer par la suite (A) avant le traitement
Sur la copie d’écran ci-dessus, vous pouvez voir les trois niveaux de rotation: (A) rotation supérieure, (B) rotation intermédiaire, (C) rotation basse en contre-plongée.Avec une focale fixe vous pouvez vous approcher du sujet (D) pour saisir un détail.
Au centre, votre sujet (E).
Note: soit un volume total de 1,39 Go avec 35 images environ par rotation au format TIFF, avec un total de 95 images.
Ci-dessous un aperçu de la prise de vue avec un nombre réduit de photos
Les sujets incompatibles
Les objets non statiques, tels que les personnes ou les animaux, la photogrammétrie a besoin de se repérer dans l’espace afin de retrouver tous les points concordants entre eux. Par contre si votre sujet est en mouvement, réaliser son scan en 3D devient compliqué, voire impossible. En plus de rendre la tâche difficile et coûteuse, cela nécessitera l’ajout d’un nombre important d’appareils photo tous synchronisés entre eux.
Difficulté à reproduire des objets transparents ou réfléchissants, il est parfois nécessaire d’utiliser des peintures pour résoudre ce problème.
Dépendance à la lumière : la photogrammétrie nécessite un très bon éclairage. Par exemple, un mauvais temps peut vous rendre la tâche difficile en altérant les lumières ou en accentuant les ombres. Vous pouvez utiliser le rendu HDR, mais cela prendra plus de temps à la prise de vue. Si vous travaillez en studio le problème d’éclairage est plus simple.
Traitement des images
Commencez par supprimer toutes les photos floues
Il faut supprimer les doublons de prise de vue de manière à alléger les calculs
Il faut utiliser le même traitement pour toutes les images.
Il faut éviter de faire des modifications différentes pour chaque photo, par exemple le contraste doit être régler de la même façon sur toutes les photos.
Ne pas corriger la déformation des objectifs
Il est recommandé de ne pas recadrer vos images, mais de le faire dans votre logiciel de traitement 3D. J’ai tout de même fait des essais en recadrant au plus près cela fonctionne très bien .
Il est préférable de sortir au format Tiff, éventuellement en jpg haute résolution.
Le traitement de vos photos par un logiciel 3D
Après un premier traitement: retouche des blancs, redimensionnement, etc nous allons passer à la conception du volume en 3D. Ce traitement peut varier d’un logiciel à un autre.
Dans cet exemple ce volume de chouette en 3D est réalisé à partir de 35 photos, soit un total de 279Mo.
L’assemblage des photos
Importer toutes les photos dans votre logiciel de traitement, ensuite assembler toutes ces photos de manière à retrouver la position de la caméra dans l’espace, autour de votre sujet. Si vous utilisez par exemple 2 caméra côte à côte, qui est le principe de la stéréoscopie vous obtenez une image en 2 dimensions ce qui permet de calculer et de mesurer un relief, l’ensemble de toutes ces caméras permet de calculer un volume complexe.
(pour agrandir cliquer sur l’image pour réduire cliquer sur Echap)
Création d’un nuage de points
Si vous prenez deux photos en déplaçant votre appareil (A),vous obtenez des distances mesurables appelées lignes de vue (B)
Cela permet de positionner un point précis en 3D à l’intersection des lignes de vues (C), il faut en général 6 points pour une reproduction fidèle.
Cet ensemble de points est appelé nuage de points.
Il faut prendre une série importante de photos pour améliorer la qualité du rendu.
Création d’un nuage de points
Le calcul du relief permet de positionner des points dans l’espace tridimensionnel, que l’on nomme nuage de points.
Suivant la densité de ces points votre futur volume sera plus ou moins précis, en augmentant la densité vous obtenez un résultat de qualité au détriment de la durée de traitement qui augmente considérablement.
Par exempte pour ma chouette de 35 images le calcul des nuages de points peut varier de 1/2h à 4h.
(pour agrandir cliquer sur l’image pour réduire cliquer sur Echap)
Le maillage ou triangularisation
Le maillage consiste à assembler 3 points ensemble de manière à former un minuscule triangle (lettre A), ce maillage couvre toute la surface de votre volume. Ce maillage peut également être plus ou moins dense, ce qui influe sur la qualité finale et sur le temps des calculs. Ensuite ce petit maillage est converti en surfaces plus grandes (lettre B), la taille de ces surfaces est paramétrable. Et pour finir ces surfaces peuvent recevoir une texture colorée, bleue sur cet exemple.
(pour agrandir cliquer sur l’image pour réduire cliquer sur Echap)
Sur l’image ci-dessus vous avez un maillage converti en surfaces plus grandes (lettre B), vous remarquerez que ces surfaces restent tout de même extrêmement petites…
La texturation
Lorsque la géométrie (maillage) est reconstruite, elle peut être texturée pour la production d’orthophotos (images aériennes ou satellitaires) ou pour présenter un objet fini, cette texture reproduit les couleurs de l’objet, elle est exportée au format JPG. Cette texture est ensuite utilisée pour coloriser la surface de cet objet.
Sur la photo de gauche vous avez l’exportation de la texture construite pour la chouette au format jpg
Sur les deux chouettes ci-dessous le relief est identique, celle de gauche possède une couleur unie ce qui lui donne une apparence terne sans vie, par contre sur celle de droite a été ajouté la texture du départ, ce qui change complètement l’aspect final.
L’avantage de cette méthode est de permettre l’ajout de n’importe quelle texture (pierre, bois, acier, marbre etc) sur un même volume.
Exportation de vos volumes
Pour utiliser ces volumes dans des logiciels 3D ou pour créer une animation internet il faut les exporter sous divers formats afin qu’ils soient reconnus par ces logiciels.
Quelques formats : PDF 3D, STL, OBJ, SKP, PLY, 3DS, AC3D, DXF, IGES, etc…
Certains formats permettent de sauvegarder la texture avec le fichier, mais vous pouvez envoyer cette texture à part.
La grande mode actuelle est l’imprimante 3D qui peut gérer ce type de fichiers
La mise en ligne de votre volume
Pour que ce volume puisse être examiné par tous, il faut l’exporter sur des plateformes qui vont transformer ce volume en animation HTML ou Flash. Il existe des logiciels spécifiques, mais le plus simple est d’utiliser les sites spécialisés, ce qui permet à tout le monde de visionner vos créations, de plus pour les petits volumes, ils sont gratuits, mais pour de très gros fichiers, l’hébergement est payant.
Ce tuto est un résumé du travail à réaliser, mais cela n’est pas trop compliqué, je vous souhaite de tester cette technique et vous souhaite bon courage ou bon amusement…
Les volumes peuvent être de grandes dimensions, comme vous pouvez le voir avec ce bâtiment.