La technique “Structure from Motion” (SfM), ou “Structure acquise à partir d’un mouvement”, est une méthode photogrammétrique d’imagerie par intervalle qui vise à déduire la structure tridimensionnelle d’un objet ou d’une scène à partir d’images bidimensionnelles. Cette approche intègre des concepts de vision par ordinateur avec des aspects de la perception visuelle humaine. Biologiquement, le SfM fait référence à la capacité d’un individu (ou d’autres êtres vivants) à percevoir et à interpréter la structure tridimensionnelle d’objets ou de scènes en mouvement, en se basant uniquement sur leur champ de vision bidimensionnel, comme celui offert par la rétine.

Principes de la structure from motion

Perception humaine de la structure 3D

Lorsque les humains se déplacent dans un environnement, ils perçoivent naturellement sa structure tridimensionnelle en observant les changements dans leur champ de vision. Ce processus s’apparente à la vision stéréoscopique, où la clé réside dans l’établissement de correspondances entre les images successives pour reconstruire un objet en 3D.

Suivi des caractéristiques dans les images

Le suivi des caractéristiques joue un rôle central dans la perception de la structure 3D. Des éléments comme les angles et les arêtes sont suivis d’une image à l’autre. Des techniques telles que le transformateur de caractéristiques invariant d’échelle (SIFT) et le Speeded Up Robust Features (SURF) sont essentielles ici. Le SIFT détecte les caractéristiques basées sur les maxima d’une pyramide de différence de Gaussiennes, tandis que le SURF utilise une approche basée sur la matrice hessienne.

Filtrage des correspondances

Les caractéristiques identifiées dans toutes les images doivent être mises en correspondance, un processus qui peut inclure des erreurs. L’algorithme RANSAC est souvent utilisé pour filtrer ces correspondances erronées. Ce filtrage est crucial pour assurer la précision de la reconstruction 3D et de la localisation.

Reconstruction 3D et mouvement de la caméra

Les trajectoires des caractéristiques détectées au fil du temps permettent de reconstruire leurs positions en 3D ainsi que le mouvement de la caméra. Les approches directes, qui estiment la structure 3D et le mouvement de la caméra directement à partir des images, offrent une alternative aux méthodes traditionnelles.

Différentes approches de structure from motion (SFM)

Le SfM peut être abordé de différentes manières. Le SfM incrémental ajoute progressivement les poses de la caméra à une collection, tandis que le SfM global résout toutes les poses de caméra simultanément. Une approche intermédiaire est le SfM d’algorithme de mémoire externe, qui combine plusieurs reconstructions partielles en une solution complète.

Applications

Topographie et structure from motion

La technique de Structure from Motion (SfM), combinée à la stéréoscopie multi-vues, est utilisée en topographie pour créer des modèles de relief très détaillés. Elle s’appuie sur des images prises avec divers appareils photo numériques et peut inclure un réseau de points de contrôle au sol. Cette méthode offre une flexibilité temporelle et peut produire des nuages de points d’une densité et précision comparables au balayage laser terrestre et aérien, mais à un coût bien moindre.

La SfM est très avantageuse dans les environnements éloignés ou difficiles d’accès, où le balayage laser terrestre est limité par la portabilité de l’équipement et le balayage aérien par la rugosité du terrain. Elle a été appliquée dans des contextes variés comme les rivières, les badlands, les côtes sableuses, les zones de failles sismiques et les récifs coralliens.

L’utilisation de différents types d’appareils photo numériques, y compris les smartphones, offre une grande flexibilité, bien que des résultats plus précis soient obtenus avec des équipements plus coûteux et de meilleure qualité optique. Cette technique permet une caractérisation détaillée de la topographie de surface et, avec des données recueillies sur plusieurs périodes, de détecter les changements en termes d’élévation, de position et de volume, reflétant les mouvements de la surface terrestre.

Conservation du patrimoine culturel et structure from motion

Le SfM trouve également des applications précieuses dans la préservation du patrimoine culturel. Il permet une évaluation précise de l’état des sites patrimoniaux, facilitant la planification de leur entretien, contrôle et restauration. Cette technique est non invasive, évitant toute interaction directe entre l’opérateur et la structure, un avantage crucial dans les sites où l’accessibilité est limitée et l’installation de piliers d’arpentage invasifs n’est pas possible.

La première étape opérationnelle dans l’utilisation du SfM pour le patrimoine culturel est la préparation minutieuse du levé photogrammétrique. Cela inclut l’établissement de la meilleure distance par rapport à l’objet, la distance focale, la distance d’échantillonnage au sol et la résolution du capteur. Les prises de vue photographiques programmées doivent ensuite être réalisées avec un recouvrement vertical d’au moins 60 %, assurant ainsi une précision et une couverture adéquates pour la documentation et l’analyse du site patrimonial.