FI/SPECIAL-ETE-98

Vision et mesures stéréoscopiques

Otto Kölbl, EPFL-DGR-Institut de Photogrammétrie, e-mail : Otto.Koelbl@epfl.ch

La vision stéréoscopique naturelle

L'homme dispose de deux yeux qui lui permettent de percevoir son environnement de deux points de vue légèrement différents. La fusion mentale de ces deux vues permet d'engendrer une image spatiale de notre environnement, un processus purement psychologique. La perception spatiale représente une aptitude typique d'un chasseur, d'un carnivore. Par contre, les yeux des herbivores (cheval, bovidés), sont déplacés latéralement afin de permettre un angle de vision beaucoup plus étendu, ce qui est notamment utile pour détecter des prédateurs arrivant par derrière. Dans ce cas-là, le faible recouvrement des deux champs de vision ne permet guère la perception de la profondeur.

On se rend facilement compte de l'importance de la vision spatiale si l'on regarde avec un seul oeil. Dans ce cas, verser par exemple le contenu d'une bouteille dans un verre cause des difficultés réelles, sauf si l'on se sert de moyens auxiliaires comme par exemple le recouvrement des objets afin d'évaluer la distance entre la bouteille et le verre.

La vision stéréoscopique est une aptitude naturelle chez l'homme et part de ses sens comme par exemple aussi le sens de palper qui permet également de reconnaître l'environnement de manière spatiale. Cependant, le faible écartement des yeux ne permet une vision spatiale que pour notre environnement proche à moins qu'on essaie d'agrandir cette base de manière artificielle comme pour les jumelles ou les télescopes d'artillerie.

fig. 1: position des yeux des herbivores (latérale avec champ de vision de 360°) et des carnivores (sur le front, avec écartement pour permettre la vision stéréoscopique)

Vision stéréoscopique artificielle

Une autre possibilité de voir stéréoscopiquement consiste à présenter aux deux yeux deux images prises de 2 points de vue différents (dessins ou prises de vues photographiques de différents points de vue). L'octaèdre de la fig. 3 a été dessiné en perspective correcte à partir 2 points de vue différents et peut être observé stéréoscopiquement. Cependant, il faut veiller à ce que l'image gauche ne soit vue que de l'oeil gauche et l'image droite que de l'oeil droit.

Comme les deux figures sont espacées d'une distance correspondant à la base des yeux, il est important de les observer avec les axes oculaires parallèles (!) et évidemment d'une distance assez courte, environ 25 cm. Du point de vue physiologique, la convergence des axes oculaires est cependant rigoureusement liée à la distance de focalisation et contrer ce réflexe exige un certain effort. Le moyen le plus simple de voir cette figure en relief est de séparer les deux images en mettant la main entre les deux yeux et de décontracter les yeux afin d'arriver à un parallélisme des axes oculaires (cf. fig. 2).

fig. 2: précaution pour séparer les champs de vue avec la main, afin de faciliter la vision stéréoscopique de l'octaèdre ci-dessous
(cf. fig. 3)

fig. 3: dessins d'un octaèdre en perspective montrant deux vues différentes permettant une observation stéréoscopique

On peut ainsi définir quelques conditions pour la vision stéréoscopique artificielle:

D'autre part, il convient de respecter les conditions suivantes:

Le stéréoscope représente le dispositif optimal pour l'observation d'images photographiques (cf. fig. 4). Au moyen de deux systèmes optiques, on regarde les deux images en veillant que les yeux soient focalisés à l'infini. La base des yeux peut être agrandie par des prismes ou des miroirs afin de permettre aussi l'observation d'images de grand format. De bonnes images transparentes supportent un agrandissement optique jusqu'à 20 fois. D'autre part, un bon stéréoscope offre un champ de vision par exemple jusqu'à 7 cm et même plus lors d'un agrandissement de 3 fois. Il est entendu que des images peuvent aussi être affichées sur un moniteur stéréo; cependant, il faut dans ce cas-là compter avec une certaine réduction de qualité et il faut surtout veiller à une large séparation optique des deux images homologues.

fig. 4: stéréoscope à miroirs permettant la vision de deux images photographiques jusqu'à la dimension 23 x 23 cm (format standard des photographies aériennes). Le système optique permet d'agrandir les images en focalisant à l'infini; il offre des conditions optimales pour la vision stéréoscopique des photos: bonne qualité optique, séparation complète des deux images partielles, bon confort pour l'observateur après une brève adaptation

Mesures stéréoscopiques d'objets

La reconstruction spatiale d'un objet tridimensionnel à l'aide de deux prises de vues photographiques permet aussi de prendre des précautions pour effectuer des mesures. En principe, il suffit d'introduire dans les images photographiques une marque de référence (marque-repère) et d'obtenir coïncidence entre ce point artificiel et le point de l'objet à mesurer. Si les coordonnées de trois points dans l'espace-objet sont connues, on peut d'abord déterminer la position spatiale, y inclus les angles d'orientation des prises de vues, à l'aide d'un simple relèvement; par la suite, on peut déterminer par intersection les coordonnées 3D des différents points de l'objet.

En photogrammétrie, on utilise déjà depuis le début du siècle des instruments permettant une restitution par lignes des images photographiques. La première génération d'instruments a résolu l'intersection à l'aide de tiges mécaniques (cf. fig. 5); l'application principale était surtout l'établissement de cartes topographiques à partir de photographies aériennes; venait ensuite l'élaboration de plans de façades pour l'architecture. L'industrie suisse, avec sa grande expérience en mécanique de haute précision, a su conquérir une position dominante au niveau mondial dans la construction de ces instruments photogrammétriques.

fig. 5: l'ordinateur analogique du restituteur photogrammétrique Kern PG2 (construit en 1960 à environ 1000 exemplaires) permettant de suivre des lignes en stéréo sur deux photos homologues à l'aide d'une marque-repère et de dessiner ces lignes géométriquement correctes pour l'élaboration d'une carte topographique. La complexité résulte de la nécessité de corriger, outre les déformations perspectives, d'éventuelles inclinaisons des photos

Dans les années 70, on a commencé à remplacer les ordinateurs analogiques par des composantes digitales mais on a continué à mesurer sur l'image originale, c'est-à-dire que seule l'opération de l'intersection était effectuée par ordinateur, en prenant en considération l'inclinaison des images et leur distorsion. Ce n'est que dans les années 90 que les ordinateurs ont atteint une performance suffisante permettant d'afficher les images stéréoscopiques sur un moniteur et de réaliser des restitutions photogrammétriques (cf. fig. 6 et 7).

fig. 6: restituteur digital d'Intergraph (Etats-Unis) pour la production de cartes numériques à partir de photographies en stéréo visualisées sur écran d'ordinateur

fig. 7: principe de la séparation des images avec les Liquid crystal eye shutters, un système actif synchronisant les lunettes par un faisceau lumineux

La transition vers le traitement numérique des images a permis aussi l'automatisation des diverses opérations de mesure, comme par exemple la combinaison de plusieurs images en un bloc qui, par la suite, peut être orienté de manière uniforme par rapport à des points de référence terrestres. On a aussi commencé à automatiser les mesures des distances d'objets à l'aide de la corrélation d'images ou de la reconnaissance automatique d'objets.

Applications et précision

Comme on l'a déjà laissé entendre, un large domaine de la photogrammétrie est consacré à la restitution topographique et à l'élaboration de cartes à différentes échelles ainsi qu'à l'acquisition de données de base pour diverses tâches de planification. D'autre part, la photogrammétrie est utilisée pour la surveillance de l'environnement, jusqu'à la mesure de l'épaisseur de neige sur les pentes d'avalanches.

D'autres domaines d'activité importants sont représentés par la robotique, les mesures industrielles et la médecine. Dans ces domaines, la photogrammétrie se trouve en concurrence avec les mesures géodésiques, les mesures de distance par laser ou aussi les procédés de moiré.

En photogrammétrie aérienne, on utilise des caméras grand format de 23x23cm avec lesquelles on obtient des précisions de 3 à 10 µm (1µm=0,001mm). Cela signifie qu'avec des vues prises d'une altitude de 1000 m sur sol on obtient une précision au sol de ± 5 cm en planimétrie et de ± 10 cm en altimétrie (environ 1:10'000 de l'altitude de vol).

Perspectives

Les progrès en traitement numérique d'image ouvrent aussi de nombreuses nouvelles possibilités pour la saisie d'objets et leur représentation, notamment grâce à la réalité virtuelle. Dans ce cas, on modélise d'abord le paysage et l'on remplit les surfaces avec des textures appropriées. Par la suite, on peut créer un fly through. De telles séquences vidéo sont utiles pour étudier par exemple l'impact sur l'environnement de nouvelles constructions ou de nouvelles voies de circulation mais aussi pour l'analyse de la sécurité routière. Des films impressionnants peuvent être obtenus par combinaison de séquences vidéo d'objets existants avec des objets en planification.

De grandes nouveautés peuvent aussi être obtenues par l'utilisation de caméscopes numériques et de vidéos numériques pour la saisie de l'objet et en particulier en combinant divers capteurs comme des scanneurs lasers avec des systèmes d'enregistrement d'image.


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© FI-spécial été du 1er septembre 1998