FLASH INFORMATIQUE FI



Des millions de points pour une modélisation du réel


Suite à la mise en place d’une Unité d’Enseignement ENAC centrée sur le relevé lasérometrique, un survol de ces techniques et du processus nécessaire au traitement des nuages de points.



Experimenting an ENAC teaching centered on laser measurement, an overview of these technics and the required steps to process point clouds.


Audrey UEBERSCHLAG

Pierre-Yves GILLIERON

Jérôme ZUFFEREY


Introduction

Les méthodes traditionnelles de topographie ou de relevés d’architecture s’appuient sur une description synthétique des objets par des primitives géométriques comme des points, des lignes et des courbes. L’établissement de plans et de coupes se fait aisément à l’aide de logiciels de DAO qui apportent une palette d’outils adaptée aux besoins des architectes et ingénieurs.
Depuis quelque temps, une approche complémentaire de lever tridimensionnel (3D) est apparue avec le scanner laser, ou laserométrie, qui permet une saisie rapide d’objets par des millions de points. Ce changement de paradigme améliore la finesse du relevé et permet une modélisation spatiale très détaillée. Toutefois la gestion de millions de points n’est pas une tâche aisée, que ce soit pour l’opérateur qui doit interpréter le modèle ou pour les logiciels classiques de CAO/DAO qui doivent gérer ces grandes quantités d’information.


fig. 1 – lever laser du Polydôme de l’EPFL

Les étudiants de l’ENAC ont pu expérimenter cette problématique dans le cadre de la mise en place d’une Unité d’Enseignement : L’informatique au service de la mesure du réel centrée sur le relevé lasérométrique. L’objet étudié était le Polydôme, architecture symétrique et structure très lisible, mais difficile à mesurer avec les techniques traditionnelles. La première étape a consisté à scanner l’édifice (fig. 1), soit avec près de 250 millions de points à traiter ensuite (fig. 2 et fig. 3).


fig. 2 – polydôme, vue plan du relevé laserométrique

Cet article a pour but de présenter la méthode de lever par scanner laser ainsi que les étapes de traitement informatique nécessaires au rendu final (fig. 13). Ces techniques de mesure et de représentation 3D font partie des compétences de la faculté ENAC qui les utilise dans l’enseignement donné aux architectes et ingénieurs ainsi que dans des activités de recherche appliquée comme la surveillance d’ouvrage en génie civil, le relevé d’architecture et le géomonitoring de zones de dangers naturels.


fig. 3 – polydôme : vues coupe et élévation

Scanner laser

Définition

Un lever au scanner laser repose sur une technique d’acquisition rapide et automatique de données tridimensionnelles en utilisant la lumière laser pour mesurer des millions de points sur la surface d’objets divers (fig. 4). On obtient ainsi un modèle 3D très dense qui permet ensuite d’extraire la géométrie précise des objets [1], [2a], [2b].


fig. 4 – principe d’acquisition par balayage

Cette saisie massive de points 3D est appelée nuage de points (en anglais point cloud). En pratique, l’instrument mesure, pour chaque point, la distance entre la tête du laser et l’objet, les angles horizontaux et verticaux ainsi que l’intensité du rayon laser retourné. Cela permet de calculer les coordonnées des points dans un système de coordonnées locales dont l’instrument est l’origine (fig. 5).


fig. 5 – système de coordonnées lié au scanner laser

Ce nuage de points se présente sous la forme d’une grille dont l’espacement entre les points doit être défini par l’utilisateur au moment de l’acquisition. On parle de résolution angulaire (horizontale et/ou verticale). Cela correspond à la capacité de l’appareil à mesurer de façon indépendante deux points situés sur des lignes de visée adjacentes ou plus simplement au plus petit pas angulaire disponible. Concrètement, il est plus aisé de traduire cette valeur en distance et nous parlons alors de résolution spatiale. Une résolution angulaire de 0,1° correspond alors à une résolution spatiale de 1,7 cm à une distance de 10 m.
La résolution angulaire ou spatiale est directement liée à ce qu’on appelle la densité de points. Il s’agit du nombre de points acquis par unité de surface. Plus la résolution angulaire est petite, plus la densité de points est élevée et plus le niveau de détail de l’objet scanné est haut. Il faut cependant veiller à associer la densité à la distance moyenne séparant l’objet de l’instrument (fig. 6).


fig. 6 – à gauche, illustration d’une haute densité de points afin de visualiser les détails d’une statue (1 point/mm à 2.5m). À droite, relation entre distance laser-objet et densité.

Lors de chaque scène à scanner, il faudra considérer ces caractéristiques en fonction des exigences du relevé.
L’intensité du signal laser retourné dépend de la nature de l’objet et représente la quantité de lumière reçue après réflexion du rayon laser sur l’objet.

Types de scanner laser

Tous les scanners laser permettent de mesurer un nuage de points. Cependant, on peut classifier ces derniers en fonction de leur principe d’acquisition. On distingue trois catégories principales de scanners laser : à impulsion, à différence de phase et à triangulation.

Scanner laser à impulsion

On mesure le temps de parcours aller-retour d’une courte impulsion modulée sur la porteuse entre le scanner et l’objet. Pour ces lasers, appelés laser à temps de vol, on détermine la distance s laser-objet selon la figure 7.


fig. 7 – principe de mesure d’une distance par temps de vol

Ces scanners laser (fig. 8) sont dotés d’horloges de grande stabilité afin de garantir une précision minimale de 3 à 4 mm pour des longues portées. A l’heure actuelle, la plus longue portée disponible sur le marché est d’environ 4 km (Riegl).


fig. 8 – Leica C10, Riegl LMS Z90 et Trimble Gx

Scanner laser à différence de phase

Ces instruments ne mesurent plus une durée de parcours, mais déterminent une différence de phase (aussi appelé déphasage) via la comparaison de l’onde émise et de l’onde en retour. Pour ce faire, les signaux sont modulés à plusieurs reprises sur la fréquence ou sur l’amplitude (fig. 9).


fig. 9 : Principe de mesure d’une distance par déphasage

Contrairement aux scanners laser précédents, cette catégorie (fig. 10) est inadaptée aux longues portées (la portée maximale actuelle est d’environ 100 m). Cela est dû au fait que cette technique nécessite un signal de forte intensité en continu.


fig. 10 – Faro Focus 3D, Leica HDS 7000 et Trimble FX

Scanner laser à triangulation

Ils reposent sur le principe de résolution de triangles pour déterminer la distance laser-objet. Cette technique n’est pas présentée dans cet article, car elle est adaptée pour numériser des objets de petite taille. Les lasers à bras ou à main (fig. 11) dérivent directement de cette technique tout en apportant une liberté de mouvement grâce aux bras articulés auxquels ils sont attachés.


fig. 11 – soisic de Mensi et ScanArm de Faro

Applications

Les différents types de scanners laser permettent une large palette d’applications. A titre d’exemples, on peut citer le lever topographique, la modélisation de l’environnement construit, le contrôle d’ouvrages de génie civil et le monitoring de zones de dangers naturels. Les différents traitements des nuages de points permettent de reconstituer des modèles tridimensionnels (du terrain à un ouvrage d’art en passant par les bâtiments), de détecter des déformations, de calculer des volumes, de dessiner des coupes (fig. 12) et de réaliser des orthophotos.


fig. 12 – église de Monnaz, coupe longitudinale

Traitement des données

Les données acquises (points) nécessitent différentes étapes de traitement selon l’application vers laquelle elles sont destinées. La figure 13 en est un bref résumé.

fig. 13 – schéma des processus de traitement

Géoréférencement

Selon les dimensions de l’objet à numériser, il est nécessaire de stationner le scanner laser à plusieurs endroits autour de celui-ci. Cependant, chaque nuage de points est défini dans le système de coordonnées propre à chaque station. Il faut alors assembler les différents nuages de points par traitement informatique de manière à ce que l’ensemble des points soit dans un système de coordonnées unique. On appelle ce processus géoréférencement, direct ou indirect (fig. 14).


fig. 14 – exemple de géoréférencement de 3 nuages de points

On parle de géoréférencement direct lorsque le scanner laser est positionné sur un point dont les coordonnées sont connues et qu’il est orienté vers un ou plusieurs points de référence également connus. Ce processus est semblable à la mise en station avec un théodolite ou un tachéomètre.
Le géoréférencement indirect repose sur l’identification de points homologues entre différents nuages. Un minimum de trois points homologues entre deux nuages de points est nécessaire. Ces points doivent correspondre à des cibles ou à des points caractéristiques de la scène (fig. 15). Il est en général réalisé à l’aide des logiciels des constructeurs associés aux instruments (par exemple le logiciel Leica Cyclone [4]).


fig. 15 – cibles Leica HDS et exemple de scan

Dans le cas des cibles, leurs caractéristiques intrinsèques (en particulier la réflexion et leur diamètre) permettent au logiciel d’acquisition de détecter leur centre automatiquement. Il faut donc veiller au placement des cibles avant l’acquisition afin d’éviter d’ajouter par la suite des points caractéristiques au sein du nuage de points.
La recherche de points caractéristiques et homologues consiste à déterminer une zone dont la géométrie est commune entre deux ou plusieurs nuages de points. En fait, ce n’est pas un point seul qui permet de lier deux nuages de points, mais c’est un ensemble de points voisins qui sont mis en correspondance. Cette opération est principalement réalisée avec la méthode ICP (Iterative Closest Point) [3], qui consiste à rechercher des groupes de points homologues entre deux nuages de points en minimisant la distance entre ces nuages par itérations successives (fig. 16).


fig. 16 :– méthode ICP appliquée à la recherche de points homologues

Produits numériques

Le nuage de points géoréférencé peut ensuite être traité de différentes manières, en vue d’un travail de visualisation et, principalement, de reprise dans une application de CAO ou de modélisation tridimensionnelle. On peut distinguer trois principaux types de traitement : la création d’orthoplans, la génération d’orthophotos et la modélisation de surface.

Les orthoplans

Les jeux de données laser sont conséquents et doivent être traités dans des logiciels spécialisés, or la plupart des utilisateurs disposent de logiciels standards pour le dessin ou la conception. Ces derniers permettent de gérer de grandes quantités d’information en 2D ou 3D, mais sont moins performants lorsqu’il s’agit de manipuler des millions de points.
Une astuce pour remédier à ce problème consiste à extraire une tranche, appelée orthoplan, dans le nuage de points, selon un plan choisi (XY, XZ, YZ) et une épaisseur donnée. Cette dernière sera en général de l’ordre du centimètre afin d’obtenir suffisamment de points, mais en réduisant au minimum la marge d’erreur liée à l’épaisseur. De plus, si des applications CAO type AutoCAD gèrent relativement bien l’insertion d’un nuage de points (en tant qu’objet), un orthoplan est un dessin à part entière constitué de milliers d’objets de type points. L’exemple du Polydôme en figure 17 comporte plus de 40’000 objets pour une tranche d’un centimètre d’épaisseur dont les éléments inutiles ont été supprimés (mobilier, personnes, etc.)


fig. 17 – orthoplan du Polydôme

Si les orthoplans sont rapidement très volumineux, les profils générés ont l’avantage d^être d’une grande précision puisque l’on obtient les points mesurés en tant qu’éléments géométriques dans l’espace. Une succession de profils en plan XZ, par exemple, fournit des données mesurables pour l’étude de la déformation d’une structure.
Dans le cadre de l’Unité d’Enseignement, un groupe d’étudiants a, par exemple, travaillé avec une succession de profils plans de la voûte afin d’en vérifier la géométrie et la régularité structurelle (fig. 18). Les orthoplans ont du reste été complétés par des orthophotos...


fig. 18 – orthoplans successifs de la voûte du Polydôme

Les orthophotos

L’orthophoto est le résultat du processus qui permet de créer une image dont les caractéristiques géométriques sont conformes au plan (orthogonal) de restitution (élévation, coupe, situation). On projette ainsi l’ensemble, ou une partie du nuage de points sur un plan prédéfini (fig. 19). On obtient une image sur laquelle on peut mesurer ou superposer d’autres informations vectorielles. On peut donc facilement la mettre en référence au plan dessiné dans un logiciel de CAO.


fig. 19 – orthophoto (plan) du Polydôme

Si les logiciels spécifiques à chaque scanner (Cyclone pour Leica, Scene pour Faro) permettent la réalisation d’orthoimages bitmap, il sera parfois nécessaire de recourir à une application plus spécialisée, destinée à la visualisation de nuages de points (par exemple Pointools Edit Pro).
Moins précise que l’orthoplan, l’orthophoto, plus proche du géométral de l’architecte, constitue cependant un traitement plus lisible qu’une tranche isolée. Souvent, on travaillera en superposant ces deux modes de représentation, le premier pour sa haute définition géométrique, le second pour sa qualité de visualisation. Du reste, selon l’échelle de travail envisagée en CAO, l’orthophoto d’une élévation donne souvent une précision largement suffisante à la reproduction d’une façade (fig. 20).


fig. 20 – orthophoto, Élévation de l’église de Monnaz

Si le volume des données devient également important (une coupe au 1:50 à 300dpi atteint aisément quelques centaines de Megabytes), l’orthophoto constitue un objet inséré dans un logiciel CAO, en général bien mieux supporté que des milliers de points.
Enfin, malgré les applications de traitement spécialisées, mentionnons encore la nécessité de recourir à des logiciels de retouche d’image bitmap pour compléter la chaîne de production : corrections colorimétriques ou passage en niveaux de gris afin de réduire la taille des documents produits.

La modélisation de surfaces

Le nuage de points peut servir à modéliser des surfaces en créant des maillages triangulés associés à des techniques de lissage et d’optimisation. Bien que les logiciels proposés par les constructeurs de scanners offrent ces fonctionnalités, il est parfois nécessaire de recourir à des applications spécifiques (type Geomagic ou 3DReshaper). Ce traitement particulièrement lourd est à réserver à de petits objets dans un but de contrôle de fabrication ou de documentation, plus particulièrement dans les domaines du design et industriel. Un modèle constitué de plusieurs millions de triangles est difficilement utilisable dans une application CAO ou d’infographie 3D, bien qu’on puisse décimer la géométrie pour tenter de la simplifier (fig. 21).


fig. 21 – polydôme, modèle surfacique partiel « décimé » de 10 à 2 millions de points (Géomagic)

On commence à voir des applications open source pour l’exploitation et la modélisation de surfaces 3D basées sur des nuages de points. On peut citer par exemple, le projet Cloud Compare qui propose une panoplie d’outils d’analyse et de comparaison de surfaces (un modèle théorique et sa réalisation).
De plus, le résultat est une interpolation qui, même lors de la modélisation d’une volumétrie extérieure, demande souvent plus de corrections que de réaliser un modèle manuellement, à partir des informations à deux dimensions créées préalablement avec les techniques présentées ci-dessus. De plus, le modèle généré constituera une masse et non une dissociation constructive inhérente à un travail de modélisation artisanal.
Enfin, mentionnons que si cette technique de modélisation automatique est rare dans le cas de grands nuages de points, elle est de plus en plus courante dans le cadre du relevé non pas par lasérométrie, mais par addition de photographies.

Conlusion : des points aux lignes...

Qu’il s’agisse d’une base d’orthoplans ou d’orthophotos, aucune application de CAO classique ne peut, à ce jour, générer automatiquement plans, coupes, élévations à deux dimensions.
Si l’automatisation de l’acquisition procure une précision d’information sans précédent, elle nous confronte aussi à une forme de surinformation. Non interprétées, les données laser sont brutes, tout est relevé, des grains de poussière à la voiture qui passe devant le scanner. C’est ensuite à l’opérateur de nettoyer les éléments inutiles du nuage de points, puis d’interpréter celui-ci lors de la réalisation d’un dessin géométral (fig. 22) : quels éléments sont structurels, porteurs ou non porteurs, essentiels à l’objet étudié ou constitutifs de mobilier.


fig. 22 – polydôme ; en haut reconstruction à partir des relevés laser, en bas, superposition avec des plans donnés (EPFL-PL-DII)

Cela peut nous interroger sur la nécessité de retranscrire le relevé en documents 2D. Dans le cadre de travaux de transformation et restauration, les orthophotos pourraient suffire à compléter la documentation, en superposition avec ce qui va être transformé. La surveillance d’un ouvrage nécessite des mesures ponctuelles de grande précision, mais relativement coûteuses. Le scanner laser pourrait apporter un complément d’analyse utile, permettant peut-être de réduire les mesures classiques. Dans des domaines plus liés au patrimoine et à l’archéologie, il demeure en usage de fournir des plans classiques le plus précis possible et surtout faciles à interpréter par les utilisateurs.
Si l’étape du dessin, même informatique, demeure la plus laborieuse, des tentatives de reconnaissance automatique d’éléments issus de nuages de points existent et l’évolution du génie logiciel laisse supposer un développement en ce sens.
Finalement le fait de disposer de scanners laser pour l’acquisition et des logiciels associés, permet à l’EPFL et à l’ENAC de mettre en avant le potentiel de ces technologies et de les intégrer dans l’enseignement et des recherches novatrices où la modélisation fidèle en 3D de l’espace et de phénomènes est un atout fondamental.

Bibliographie et références Web

[1] VOSSELMAN, George, MAAS, Hans-Gerd. Airborne and Terrestrial Laser Scanning (ISBN : 978-1-904445-87-6), p. 83-133. ; (eds.) Whittles Publishing, 2010
[2a] LANDES, T. et GRUSSENMEYER, P. (2011). Les principes fondamentaux de la lasergrammétrie terrestre : systèmes et caractéristiques. XYZ - Revue de l’Association Française de Topographie, 128:37–49.
[2b] LANDES, T. et GRUSSENMEYER, P. et BOULAASSAL, H. (2011). Les principes fondamentaux de la lasergrammétrie terrestre : acquisition, traitement des données et applications. XYZ - Revue de l’Association Française de Topographie, 129:25–38.
[3] BESL, P. J., MCKAY, N. N., (1992). A method for registration of 3D shapes, IEE PAMI, 14(2), 239-256.

Nos remerciements à l’adresse de Monsieur Olivier Feihl et à sa société, Archeotech SA, pour sa collaboration et sa disponibilité lors de la mise en place de cet enseignement ENAC.
Enfin, nous remercions également les étudiants BA6 de l’ENAC, semestre de printemps 2012, pour leur intérêt et leur participation à l’Unité d’Enseignement L’informatique au service de la mesure du réel.



Cherchez ...

- dans tous les Flash informatique
(entre 1986 et 2001: seulement sur les titres et auteurs)
- par mot-clé

Avertissement

Cette page est un article d'une publication de l'EPFL.
Le contenu et certains liens ne sont peut-être plus d'actualité.

Responsabilité

Les articles n'engagent que leurs auteurs, sauf ceux qui concernent de façon évidente des prestations officielles (sous la responsabilité du DIT ou d'autres entités). Toute reproduction, même partielle, n'est autorisée qu'avec l'accord de la rédaction et des auteurs.


Archives sur clé USB

Le Flash informatique ne paraîtra plus. Le dernier numéro est daté de décembre 2013.

Taguage des articles

Depuis 2010, pour aider le lecteur, les articles sont taggués:
  •   tout public
    que vous soyiez utilisateur occasionnel du PC familial, ou bien simplement propriétaire d'un iPhone, lisez l'article marqué tout public, vous y apprendrez plein de choses qui vous permettront de mieux appréhender ces technologies qui envahissent votre quotidien
  •   public averti
    l'article parle de concepts techniques, mais à la portée de toute personne intéressée par les dessous des nouvelles technologies
  •   expert
    le sujet abordé n'intéresse que peu de lecteurs, mais ceux-là seront ravis d'approfondir un thème, d'en savoir plus sur un nouveau langage.