La photogrammétrie se définit comme une technique de relevé de mesure à l’aide de photographies. Loin d’être complexe, le fonctionnement de la photogrammétrie impose tout de même une certaine rigueur dans son exécution, c’est ce que nous allons voir tout de suite.
Disons que nous avons une photo d’une empreinte sur le sol avec une règle forensique à côté. Nous ne pouvons pas déterminer avec certitude la taille de la chaussure à partir de la photo, même avec la règle fournissant une échelle. Si l’empreinte courbe sur un monticule de terre, vue d’en haut, elle semble plus petite qu’elle ne l’est réellement.
Pour prendre une mesure précise, nous devons tenir compte de la courbure de la surface. Mais si l’objectif de la caméra est positionné juste au-dessus de l’empreinte, regardant vers le bas, il est aveugle aux contours du sol.
Alors, comment la photogrammétrie contourne-t-elle ce problème ?
La réponse simple est en chevauchant plusieurs clichés pris sous différents angles et différentes positions.
Avec la photogrammétrie, tout est question de perspective
Le principe de la photogrammétrie est centrée sur la perspective et son interprétation. Ce que fait essentiellement la photogrammétrie, c’est remonter dans le processus de photographie. Alors que la photographie prend un objet ou une scène et l’aplatit en une image 2D, la photogrammétrie fait l’inverse ; elle utilise des représentations 2D et construit un modèle 3D avec.
Les caméras des appareils photographiques voient les objets de manière similaire à l’œil humain. Par exemple, plus un objet est proche de l’objectif, plus il semble grand. Un parfait exemple serait la manière dont une route droite semble se rétrécir à l’horizon, même si sa largeur ne change pas.
Une démonstration plus élaborée de ce concept apparaît dans le texte de 1525 d’Albrecht Dürer, Le Manuel du peintre. Il représente deux hommes tentant de créer un dessin géométriquement précis d’un luth. Ils placent le luth sur une table devant une sorte de fenêtre, mais avec une toile à la place d’une vitre. Ils fixent une corde à un point dans le mur où se trouverait l’œil d’un observateur et la font passer par la fenêtre ouverte.
Ils déplacent ensuite l’autre extrémité de la corde autour de différents points sur le luth, notant la position de la corde dans la fenêtre pour chacun de ces points, et dessinant un point sur la toile pour chaque position de la corde dans le cadre de la fenêtre. Ce qui en ressort est une image en matrice de points géométriquement précise du luth.
La photogrammétrie s’inspire de ces principes pour faire des déductions sur les dimensions et les propriétés physiques des objets. Avec suffisamment de photos qui se chevauchent fournissant les informations spatiales nécessaires, il est possible de reconstruire un modèle 3D d’un objet ou d’une scène entière.
Le principe de triangulation en photogrammétrie
Avoir des images 2D qui se chevauchent est à la base du fonctionnement de la photogrammétrie. En identifiant des points référents sur plusieurs images et en tenant compte de la position et l’orientation de la caméra pour chaque photographie, sa longueur focale, la distorsion de l’objectif et d’autres variables, il est possible de déterminer où ces points étaient situés dans l’espace 3D. Cela s’appelle la triangulation.
Lorsqu’un point est identifié sur au moins deux photos prises à partir de différents emplacements connus, il est possible de tracer des lignes imaginaires depuis les deux positions de la caméra dans la direction de ce point. Il n’y a plus qu’à déterminer mathématiquement où les lignes se croisent. Les lignes convergentes donnent les coordonnées XYZ du point ciblé. Et avec suffisamment de points, nous pouvons construire un modèle de la scène.
L’importance des mises à l’échelle et de l’orientation en photogrammétrie
Une chose à noter, cependant, est que les modèles photogrammétriques ont des proportions mais n’ont pas d’échelle. Pour mettre à l’échelle le modèle, il doit y avoir au moins une distance connue. Cela ressemble à la façon dont notre cerveau a également besoin d’un objet familier pour l’aider à estimer la taille de quelque chose que nous regardons. Ce qui semble d’abord être un bâtiment à taille réelle sur une photo peut s’avérer être un modèle miniature lorsqu’une pièce de monnaie est placée à côté. En photogrammétrie, l’équivalent de cette pièce serait des barres d’échelle.
Les barres d’échelle sont des barres linéaires calibrées avec des marqueurs imprimés appelés cibles fixées dessus. Les cibles sur les barres d’échelle sont codées. Cela signifie que le logiciel peut identifier chaque cible de manière unique. Les cibles non codées (comme celles sur le vilebrequin dans l’image) fournissent simplement des points de référence à fort contraste qui aident à assembler précisément les images. Elles ne sont pas identifiables de manière unique.
Les cibles sur les barres d’échelle sont séparées par une distance connue et peuvent donc être utilisées pour mettre à l’échelle l’image. Pour assurer la cohérence et la précision, les barres d’échelle sont fabriquées à partir de matériaux dont les dimensions ne varient pas significativement avec les changements de température. Des cibles sont également placées autour de la scène avant la prise des photos pour fournir des points de référence robustes qui seront appariés entre les images qui se chevauchent lorsque les photos sont assemblées.
Le logiciel de photogrammétrie peut automatiquement reconnaître et appairer les cibles codées entre les images, et utiliser ces informations pour aligner les images et déterminer l’orientation du modèle. Les cibles non codées sont également utilisées pour vérifier la précision du modèle une fois que le logiciel l’a traité.
La cohérence et la qualité sont clés
Il y a pas mal de facteurs qui jouent dans ce que vous pouvez réaliser avec la photogrammétrie. Le matériel tel que les caméras, les objectifs, etc., détermine la qualité maximale que vous pouvez obtenir. Et comme on peut s’y attendre, la qualité des images – leur résolution, leur netteté, la profondeur de champ et d’autres facteurs similaires – est également particulièrement cruciale. Nous approfondirons un peu plus ces aspects plus tard.
Mais en dehors de leur qualité, la manière dont les images elles-mêmes sont prises est tout aussi importante.
L’important est de s’assurer que l’objet est entièrement capturé. Une recommandation utile est de faire plusieurs cercles complets autour de l’objet, en prenant systématiquement des photos à différentes distances de sorte que les positions de la caméra créent une sorte de dôme autour de celui-ci. Pour les objets plus petits, il y aura naturellement moins de photographies. Mais dans tous les cas, vous voulez toujours vous assurer que la totalité de l’objet est nette dans toutes les photos pour obtenir les meilleurs résultats.