FI/SPECIAL-ETE-98

Outils de la photogrammétrie pour visualiser des projets

Matthias von Moos, EPFL-DGR-Photogrammétrie,

Institut de géomatique,

e-mail : Matthias.VonMoos@epfl.ch

Introduction

Les architectes et les ingénieurs apportent par leurs travaux des changements irréversibles à notre environnement. Afin de mener à bien leurs planifications, ils ont besoin d'outils de visualisation performants. Dans certains cas, c'est la loi qui impose une étude d'impact, afin de fournir la preuve que la future construction ne nuit pas au paysage. Souvent, les visualisations sont aussi un outil de promotion du projet. En fonction des contraintes et des exigences, on a le choix entre différents moyens de visualisation: maquette, photomontage, animation 3D sur ordinateur, etc. Les techniques des visualisation ne cessent d'évoluer. A peine établie, la réalité virtuelle - la modélisation d'une scène entièrement par ordinateur - est déjà mise en question. On constate que le monde réel est trop complexe pour être modélisé, que la réalité virtuelle est perçue comme trop artificielle. Le concept magique s'appelle réalité augmentée: la réalité telle qu'elle se présente aujourd'hui est modifiée afin de représenter l'état futur. La vidéo est le moyen de capter l'état existant avec tous les détails nécessaires pour être perçu comme réel; la végétation, les objets et personnes qui bougent, les éléments placée aléatoirement, etc. On n'intervient qu'aux endroits où apparaissent des éléments nouveaux et où d'autres disparaissent.

La photogrammétrie est bien placée pour faire de la réalité augmentée, car cette tâche est semblable aux travaux traditionnels du photogrammètre qui est d'orienter des images et d'en extraire des informations métriques. Le Laboratoire de photogrammétrie est équipé de stations de photogrammétrie numérique et possède les logiciels nécessaires pour la création d'images de synthèse.

Combinaison d'images

Pour produire des images de synthèse à partir d'images vidéo et de plans de projets on peut utiliser plusieurs techniques. La plus simple est de faire une sorte de collage numérique, qui ne fait guère intervenir la photogrammétrie. La technique la plus complète est l'approche par la photogrammétrie, en créant un modèle 3D à partir des images et en le combinant avec les plans du projet.

Copy & Paste

La technique copier & coller est largement utilisée dans l'industrie cinématographique, et les résultats sont souvent plus valables qu'on ne le pense. A l'aide d'effets spéciaux, il est même possible d'ajouter des ombres. Ces images sont très naturelles et on les considère comme réalistes car on n'y trouve que des objets réels. Pour le Copy & Paste il suffit de disposer d'images de fond et d'une image de l'objet à implanter. Il est même possible que les deux images montrent la scène et l'objet sous des angles différents, ceci peut être corrigé par de simples transformations géométriques. Cette technique est très simple, mais on est tributaire d'images existantes d'un objet similaire. Pour des applications à des études d'impact on aimerait une représentation qui soit aussi métriquement correcte, ce qui n'est pas le cas pour les images ainsi obtenues.

fig. 1: combinaison de deux images par la méthode Copy & Paste

Combinaison exacte

Cette technique utilise l'image réelle comme fond et la combine avec un modèle 3D d'un nouvel objet. Pour cela, on détermine avec précision l'orientation externe de l'image de fond et on calcule comment on verrait l'objet à implanter sous le même point de vue. L'image ainsi générée est parfaitement superposable à l'image réelle. Cette technique rejoint celle de la photogrammétrie classique, où l'orientation d'image est une tâche de routine, seul le grand nombre d'images (25 par seconde) pose un problème nouveau.

Image Draping

L'image draping peut être considéré comme un stade plus évolué de la méthode précédente. Au lieu d'utiliser les paramètres d'orientation pour générer des images virtuelles, on mesure à partir des images orientées un modèle de faces 3D, sur lesquelles on projette par la suite les images comme texture. En combinant ce modèle avec les données du projet à visualiser on obtient une scène complète dans laquelle on peut bouger librement le caméscope virtuel.

L'orientation des images

Du point de vue photogrammétrique, la détermination de l'orientation externe est la question la plus intéressante. Pour résoudre ce problème, nous avons testé deux méthodes; un système multi-antennes GPS [1] et l'aérotriangulation.

Éléments d'orientation

Pour des applications photogrammétriques, il faut faire la distinction entre l'orientation interne et l'orientation externe. L'orientation interne consiste à fixer la position du centre de projection par rapport au support de l'image (pellicule photographique, capteur CCD, etc.) et à chiffrer la distorsion, ce qui correspond au calibrage de la caméra. L'orientation externe détermine la position et l'orientation de la caméra dans l'espace-objet. Selon nos expériences, il suffit pour des applications en réalité augmentée de déterminer les six paramètres de l'orientation externe (trois pour la position et trois pour l'orientation dans l'espace).

fig. 2: orientation externe d'une image

La précision avec laquelle on doit connaître les éléments d'orientation est subordonnée au fait que les éléments réels et fictifs des images de synthèse doivent paraître cohérents. On profite de la forte corrélation entre les éléments d'orientation. De faibles déplacements latéraux du centre de projection peuvent être compensés par des rotations autour des axes passant par le plan de l'image.

L'aérotriangulation

La triangulation aérienne est un procédé de la photogrammétrie classique, qui est utilisé pour orienter un grand nombre d'images avec peu de points d'ajustage. Il existe plusieurs logiciels d'aérotriangulation, avec différents degrés d'automatisation. Sous certaines conditions, ces logiciels rendent aussi service pour orienter des images vidéo.

Le système multi-antennes GPS

Pour déterminer l'orientation d'un objet - en l'occurrence le caméscope - on mesure la position de trois points de l'objet. Leurs positions relatives étant connues, on peut calculer l'orientation de l'objet. Malheureusement les limitations de cette technique sont nombreuses (basse fréquence des mesures, pertes du signal du satellite, etc.), on préfère alors l'aérotriangulation.

Modélisation et rendu des images

Des logiciels de dessin assisté par ordinateur (DAO) comme AutoCAD® ou MicroStation®, qui sont conçus surtout pour le dessin technique 2 et 3D, sont souvent utilisés par les architectes et les ingénieurs. Leurs fonctions de base sont accompagnées d'outils pour appliquer des textures, créer des animations etc. Mais leurs possibilités restent limitées pour le rendu d'images, alors que les logiciels Softimage®|3D, 3D Studio Max® ou Explorer® sont beaucoup plus performants dans ce domaine. Il s'agit de logiciels DAO du cinéma qui sont orientés vers l'animation et le rendu de scènes. On peut y importer en format dxf des scènes qui ont été construites par un logiciel de DAO technique. La combinaison des images virtuelles avec les images réelles se fait à l'aide du logiciel de montage Softimage|Eddie®.

Au Laboratoire de photogrammétrie, on dispose des logiciels Softimage®|3D et Softimage|Eddie®. L'entreprise Softimage a été créée en 1986 à Montréal, en 1994 elle était achetée par Microsoft et elle emploie maintenant 300 personnes. Ses logiciels ont contribué à des films comme Jurassic Park, The Lion King ou Titanic.

fig. 3: image aérienne projetée sur la maille du modèle numrérique de terrain. Les barres noires aident à estimer la distance de visibilité [2]

Résultats

On a appliqué ces méthode dans plusieurs cas où l'impact visuel est un élément essentiel de la planification:

Construction d'une ligne à haute tension
L'intégration des pylônes dans le paysage est le point sensible qui était à examiner. Les images ont été prises avec un petit caméscope numérique. Pour leur superposer les pylônes, on a utilisé la technique copier & coller. Si l'on observe image par image, on peut estimer l'impact des pylônes, mais s'ils sont groupés dans un film on constate des déplacements relatifs entre l'image de fond et les pylônes. On en a conclu que cette technique était difficile à mettre en oeuvre pour des séquences avec un mouvement irrégulier de la caméra et qu'elle était à éviter pour des telles séquences.

Nouvelle Transversale Ferroviaire Alpine
Un tronçon de la nouvelle transversale ferroviaire alpine traversera la plaine dans la région de Biasca TI. La vidéo originale est un panoramique filmé avec un caméscope professionnel. La détermination de l'orientation a été faite pour une image sur 10, par aérotriangulation. Les objets virtuels vus du même point ont été par la suite superposés aux images réelles. Le film qui en résulte montre bien la nouvelle ligne de chemin de fer, respectivement son environnement.

Sécurité Routière
La route Cossonay La Sarraz est réputée être un tronçon dangereux. Le projet [2] a mis en évidence des problèmes de visibilité, qui est à plusieurs endroits largement en dessous de celle calculée sur la base des plans. Comme on voulait simuler la vue du conducteur également pour un tracé alternatif, il a fallu utiliser la technique Image Draping. Contrairement au exemples précédents, on n'a pas utilisé la vidéo, mais une dizaine d'images aériennes. Le résultat est très satisfaisant, seule la résolution est trop faible pour les objets au premier plan. D'où l'intérêt d'utiliser des images vidéo.

Conclusion

L'utilisation de la vidéo permet une modélisation très simple pour un résultat qui est perçu plus réaliste que celles qu'on peut obtenir par d'autres méthodes de visualisation. La modélisation se limite à l'objet nouveau et aux objets qui obstruent la vue sur cet objet. La vidéo filmée sur place contient tous les éléments qui existent déjà.

Les séquences vidéo montrent qu'il s'agit d'une véritable alternative aux techniques de visualisation déjà établies. Il s'agit maintenant de se détacher de l'aspect purement visualisation et de simuler des actions dans cet environnement modifié.

Ce sujet a fait l'objet d'un travail de diplôme EPFL [3].

Références

  1. Gabaglio V., 1997, Orientation d'un système multi-antennes GPS ou Détermination d'attitude à l'aide de GPS, travail de diplôme EPF-Lausanne
  2. Gigon B., 1997, Développement d'une méthodologie basée sur les moyens photogrammétriques pour la prise en compte de la visibilité dans l'analyse de tracés routiers, travail de diplôme EPF-Lausanne
  3. von Moos M., 1998, Intégration d'un projet d'ouvrage d'art dans une séquence vidéo, travail de diplôme EPF-Lausanne


retour au sommaire du Flash informatique spécial été 98
retour à la page principale des Flash informatique
Vos commentaires
© FI-spécial été du 1er septembre 1998