Capture 3D par photogrammétrie

La thématique abordée au travers de cet article est assez innovante. Pour tirer tous les bénéfices de cette lecture, je vous invite donc à laisser libre court à votre imagination et à voir plus loin que vos pratiques habituelles. En clair : accueillez comme il se doit cette technique pour innover sur vos chantiers !

De quoi parle-t-on ?

De photogrammétrie, une méthode de capture 3D. Pour l’expliquer simplement :

La photogrammétrie est une technique de reconstruction numérique en 3D d’un objet physique. Elle utilise de simples photos de la scène, analysées par de puissants algorithmes capables de déduire la géométrie 3D globale à la manière du cerveau humain.

Il s’agit donc de convertir des photos ou vidéos en un modèle numérique 3D !

La preuve par l’exemple

Voici une prise de vue aérienne réalisée à l’aide d’un drone DJI.

Et voici maintenant le modèle 3D obtenu par photogrammétrie sur la base de cette même vidéo :

A quoi ça sert ?

Cette vidéo illustre à merveille un usage dans le BTP à des fins de conception d’un projet architectural.

Comment ça marche ?

Le logiciel de photogrammétrie va détecter les pixels en commun entre les images et les immatriculer. En analysant les positions relatives de ces pixels sur l’ensemble des photos de la scène, un algorithme permet d’en déduire les positions dans l’espace sous forme de coordonnées X, Y et Z.  Chaque pixel identifié constitue un sommet permettant de générer un maillage triangulé reproduisant la géométrie de la scène. Les photos sont ensuite plaquées sur ce modèle pour le texturer et lui donner son aspect réaliste.

 

Choisir le bon matériel

Vous devez posséder un appareil photo. Pour un résultat digne d’être exploité, vous devez choisir un appareil suffisamment performant en vous basant sur 3 critères :

La résolution

Tout est dans le pixel ! Plus ils sont nombreux, meilleure sera l’analyse. Ce critère est réellement non négligeable et les écarts de précision seront considérables entre un appareil photo 8Mpx (clairement insuffisant) et un appareil de 48Mpx tel que le SONY SD1  que j’utilise pour la photogrammétrie.

Une résolution élevée permettra d’obtenir des capture ultra haute définition, telles que celle-ci :

Capture 3D Ultra Haute Définition

Le grand angle

Un appareil photo grand-angle est indispensable. « Grand-angle » désigne la largeur de la prise de vue, une caméra GoPro a un objectif très grand-angle par exemple (mais une résolution faible, limitant la précision du modèle).

Pour reconnaître un objectif grand-angle, vous devez chercher la valeur exprimée par 2 nombres en millimètres, écrite sur l’objectif. Ici : 17-50mm. Plus la valeur inférieure (17 ici) sera basse, plus grand sera l’angle de vue.

Cette liste actualisée d’appareils photos numérique répond le mieux à tous ces critères.

Pour les prises de vue aériennes

Si vous m’avez bien suivi jusque là, vous aurez compris que l’objectif est d’obtenir une diversité maximale dans les coordonnées de prise de vue. Vous devez graviter autour du modèle dans un maximum de positions, y compris en altitude, pour que toutes les portions de votre scène soient capturées. Vous devrez donc vous équiper d’un drone.

Pour choisir correctement ce matériel, les critères concernant l’objectif restent les mêmes que pour les prises de vue terrestres. Une attention supplémentaire devra être portée aux qualités de vol (autonomie, stabilité…) de l’appareil.

Personnellement, mon choix s’est porté sur le DJI MAVIC 2 PRO, clairement le meilleur drone du moment.

Comment prendre les photos ?

Soyons clairs : vous ne pourrez pas vous contenter de vous promener en prenant des photos à tout va sans aucune logique pour les envoyer ensuite dans votre logiciel et cliquer sur le bouton « débrouille toi avec ça » ! Réaliser une prise de vue à destination d’une reconstruction photogrammétrique ne s’improvise pas. Vous devrez respecter ces règles d’or :

1. Réalisez toutes vos photos dans un laps de temps court en évitant les objets en mouvement.
   Une voiture ou un passant présent sur une scène et pas sur d’autres vont générer des aberrations lors de la construction du modèle. Un déplacement trop important des ombres portées sur le sol, une grue qui bouge… Les objets en mouvement vont aboutir à des pixels dont les coordonnées ne refléteront pas la réalité géométrique de la scène.
2. N’utilisez (presque) jamais le zoom !
   Pour que le logiciel de photogrammétrie puisse travailler avec précision, il lui faut un maximum de pixels communs entre les photos. Essayez donc de toujours capter la scène dans son intégralité ou presque. Privilégiez donc le grand-angle.
3. Diversifiez au maximum vos points de vue.
   Partez du postulat que vous-même ne connaissez pas le terrain ou le bâtiment capturé. Essayez de vous construire une image mentale en 3D du sujet que vous photographiez, dans les moindres détails, et uniquement sur la base des photos que vous avez prises. Etes-vous capable sur cette seule base de visualiser la géométrie, la profondeur de la porte située à l’arrière du bâtiment ? De la cheminée ? Le logiciel ne fera jamais mieux que votre cerveau. Si vous-même n’êtes pas capable de comprendre une partie du sujet, c’est qu’il manque des prises de vue à ce niveau là.

Les logiciels de photogrammétrie

Il existe plus de logiciels que ce dont je vais parler ici. J’ai retenu ici ceux que j’ai testés et dont la pertinence me semble la meilleure.

Reality Capture (CapturingReality)

Ce logiciel est actuellement, d’après nos tests récents, le plus efficace tant pour sa rapidité de traitement que pour la qualité des livrables. Le traitement se fait en local, sur l’ordinateur. Les ressources matérielles utilisées sont conséquentes, ce qui implique de posséder un ordinateur équipé à minima de :

• disques durs rapides (SSD) de forte capacité,
• mémoire vive (RAM) en grande quantité,
• carte graphique performante pour l’affichage final.

Les outils proposés dans le logiciel sont performants. Il est notamment possible de réaliser des travaux de topographie par ajout de points de calage puis extraction d’orthophotos.

Un atout conséquent est également la capacité de combiner la lasergrammétrie et la photogrammétrie : les nuages de points issus d’un scanner laser 3D sont utilisés pour consolider le modèle 3D.

Autodesk Remake

Il s’agit d’un logiciel dont la puissance provient de sa capacité à réaliser les calculs en mode Cloud et non sur l’ordinateur de l’usager. Les photos sont envoyées sur les serveurs Autodesk, traitées, puis un email est envoyé lorsque le téléchargement de la scène est possible.

Les outils proposés dans le logiciel sont ensuite pertinents : remodelage, mise à l’échelle, géoréférencement, décimation (réduction du nombre de faces pour alléger un modèle trop lourd). Les liaisons avec les logiciels de BIM sont ensuite grandement simplifiées grâce au module d’export dans de nombreux formats.

Agisoft Metashape (anciennement Photoscan)

Anciennement connu sous le nom de Photoscan, Metashape est devenu bien plus performant et intuitif que son ainé. Il s’agit d’un rival très intéressant face à RealityCapture.

Nos tests ont toutefois systématiquement démontré une précision moindre que les modèles 3D produits via RealityCapture, pour un temps de traitement également plus long.

Pix4D Mapper

Un logiciel de photogrammétrie intéressant lorsque l’usage est destiné à réaliser de la topographie par drones. Pix4D est parfaitement interfacé avec ces engins volants et ravira sans nul doute les usagers ne réalisant des captures qu’aériennes et non terrestres. Cette spécificité le rend toutefois moins polyvalent que ses concurrents, et le coût de la licence a de quoi rebuter.

Meshroom (Alicevision)

Nous apprécions particulièrement les projets OpenSource et gratuits. Meshroom, proposé par AliceVision, est justement une solution ouverte est gratuite pour la photogrammétrie. Le fonctionnement est similaire à celui de RealityCapture et Metashape, l’interface graphique est soignée est intuitive.

Nos tests ont abouti à une qualité de livrable et une durée de traitement comparables à Metashape. Les utilisateurs avancées apprécieront toutefois d’avoir une visibilité accrue et la capacité d’interagir sur les différentes étapes d’un traitement. Et disons le clairement, la gratuité du logiciel est un atout indéniable. Pour ces raisons nous soutenons activement ce logiciel !

Et après ?

Produire des données 3D ne se limite pas à l’acquisition d’un logiciel. Vous devez maîtriser toutes les étapes du processus. Ce livre est fait pour vous :