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Vers de nouvelles perspectives lasergramm´ etriques : optimisation et automatis

Vers de nouvelles perspectives lasergramm´ etriques : optimisation et automatisation de la chaˆ ıne de production de mod` eles 3D Florent Poux To cite this version: Florent Poux. Vers de nouvelles perspectives lasergramm´ etriques : optimisation et automatisa- tion de la chaˆ ıne de production de mod` eles 3D. Engineering Sciences. 2013. <dumas-00941990> HAL Id: dumas-00941990 http://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-00941990 Submitted on 4 Feb 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS ÉCOLE SUPÉRIEURE DES GÉOMÈTRES ET TOPOGRAPHES _________________ MÉMOIRE présenté en vue d'obtenir le DIPLÔME D'INGÉNIEUR CNAM Spécialité : Géomètre et Topographe par Florent POUX ___________________ Vers de nouvelles perspectives lasergrammétriques : Optimisation et automatisation de la chaîne de production de modèles 3D Soutenu le 10 Juillet 2013 _________________ JURY PRÉSIDENT : M. Christophe PROUDHOM MEMBRES : M. Jean-Michel FOLLIN Professeur référent M. Patrick BEZARD-FALGAS M. Anthony GUEROUT M. Pascal RAYMOND M. Ghyslain FERRE _________________ Maître de stage : M. Roland BILLEN REMERCIEMENTS En préambule de ce mémoire qui est l’aboutissement d’une formation complète et internationale d’ingénieur, je voudrais exprimer toute ma gratitude vis-à-vis des personnes qui ont contribué à son élaboration. Mes chaleureux et sincères remerciements vont tout d’abord à mon maître de stage Roland BILLEN pour son attention, son encadrement, sa disponibilité, ses conseils avisés mais aussi pour le projet qu’il m’a permis de réaliser au sein de son équipe et le goût pour la recherche qu’il m’a communiqué. Je remercie en amont mon professeur référent Jean-Michel FOLLIN pour le temps qu'il m'a accordé, son accompagnement tout au long de ces derniers mois, sa rapidité son efficacité et son aide précieuse. Ensuite, j’exprime ma gratitude à l’ensemble de l’Unité Géomatique de l’Université de Liège : leur accueil chaleureux et leur aide précieuse ont participé à l’élaboration de ce travail. J’adresse en particulier un grand merci aux assistants Pierre HALLOT et Benoît JONLET pour leurs remarques pertinentes et constructives ainsi que pour leur bonne humeur m’ayant permis d’évoluer dans une atmosphère agréable. Je suis également reconnaissant des conseils et de l’accompagnement de Cyril Carré, ancien ingénieur ESGT de l’équipe. Je tiens également à remercier ceux sans qui je n’aurai pas été là aujourd’hui, c’est-à-dire mes frères, mes sœurs, mes parents, mes grands-parents, … : ma famille. Un immense merci. Je veux adresser une pensée particulière pour mes amis et ma Freundin dont la présence et les encouragements furent une réelle motivation. 2013 Sommaire SOMMAIRE REMERCIEMENTS ________________________________________________________________________ 2 SOMMAIRE _______________________________________________________________________________ 3 INTRODUCTION __________________________________________________________________________ 5 1 CONTEXTE DE L’ETUDE _______________________________________________________________ 7 1.1 L’Unité Géomatique de l’ULG __________________________________________________________ 7 1.1.1 Présentation 7 1.1.2 L’environnement de travail 7 1.2 La cathédrale Saint-Paul de Liège _______________________________________________________ 8 1.2.1 Son histoire 8 1.2.2 Structure et organisation 8 1.2.3 Un intérêt archéologique et patrimonial 9 2 ÉTAT DE L’ART _______________________________________________________________________ 10 2.1 Acquisition des données par scanner laser ________________________________________________ 10 2.1.1 Qu’est-ce qu’un scanner laser terrestre ? 10 2.1.2 Principes physiques et théoriques 10 2.2 Traitement des données _______________________________________________________________ 12 2.2.1 La consolidation 12 2.2.2 Le nettoyage du nuage 13 2.2.3 La segmentation 14 2.2.4 La modélisation 16 2.2.5 La texturisation 18 2.3 Diffusion, publication et applications ____________________________________________________ 19 2.3.1 Différentes applications pour différentes utilisations 19 2.3.2 Différents supports/formats de diffusion 20 3 PRETRAITEMENT & CONSOLIDATION _________________________________________________ 22 3.1 L’obtention des données de la cathédrale _________________________________________________ 22 3.1.1 Organisation structurelle de la cathédrale 22 3.1.2 Le levé terrain de la cathédrale : méthodologie et solutions 23 3.2 Les suites logicielles de traitement de nuages de points _____________________________________ 25 3.3 Le recalage de la cathédrale ___________________________________________________________ 26 4 SEGMENTATION ALGORITHMIQUE ___________________________________________________ 28 4.1 Évolution et cheminement conceptuel ___________________________________________________ 28 4.2 Principe théorique ___________________________________________________________________ 29 4.2.1 Définition et focalisation 29 4.2.2 Le calcul des normales et l’estimation de courbure 30 4.2.3 La segmentation 31 4.3 Insertion dans l’environnement logiciel __________________________________________________ 32 4.3.1 Les besoins de l’algorithme et les solutions logicielles 32 4.3.2 La création de l’algorithme et explications 32 4.4 Les résultats ________________________________________________________________________ 36 4.4.1 La colonne 36 4.4.2 Le château de Colonster 37 3 2013 Sommaire 4.4.3 3 Colonnes de la cathédrale Saint-Paul et chapiteaux 37 4.4.4 Bilan & validation 38 5 MODELISATION, TEXTURISATION ET NIVEAUX DE DETAILS ___________________________ 40 5.1 Utilisation des différentes modélisations _________________________________________________ 40 5.2 Modélisation de l’objet dans sa totalité __________________________________________________ 40 5.2.1 Création du maillage brut : MeshLab 40 5.2.2 Simplifications et corrections 42 5.2.3 Texturisation 42 5.3 Modélisation hybride post-segmentation _________________________________________________ 43 5.4 Étude comparative ___________________________________________________________________ 43 6 VERS DIFFERENTS SUPPORTS POUR DIFFERENTES UTILISATIONS _____________________ 45 6.1 Une application archéologique de précision _______________________________________________ 45 6.1.1 Le format U3D et la création PDF 3D 45 6.1.2 Des possibilités d’exploitation étendues 46 6.2 Visite virtuelle WebGL _______________________________________________________________ 46 6.2.1 Le contexte 46 6.2.2 La création de l’environnement WebGL 47 6.2.3 La visite sur serveur 48 CONCLUSION ____________________________________________________________________________ 49 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES _______________________________________________________ 50 SITES INTERNET _________________________________________________________________________ 51 ANNEXES ________________________________________________________________________________ 52 Annexe 1 Caractéristiques du matériel FARO _______________________________________________ 53 Annexe 2 Comparaison des suites logicielles de traitement de nuages de points ____________________ 54 Annexe 3 Tutoriel CloudCompare _________________________________________________________ 58 Annexe 4 Rapport Technique de Levé et recalage de la Cathédrale Saint-Paul de Liège _____________ 60 Annexe 5 Algorithme MATLAB de recalage _________________________________________________ 72 Annexe 6 Algorithme de segmentation créé __________________________________________________ 74 Annexe 7 Méthodes de maillage et paramétrisation ___________________________________________ 77 Annexe 8 Principe du format .obj texturé ___________________________________________________ 80 LISTE DES FIGURES ______________________________________________________________________ 82 RÉSUMÉ _________________________________________________________________________________ 84 4 2013 Introduction INTRODUCTION Depuis maintenant plusieurs années, l’utilisation de scanners lasers 3D est de plus en plus répandue. Des professionnels de tous secteurs (géomatique, architecture, contrôle qualité, police criminelle, …) qui travaillaient habituellement avec des plans et des représentations schématiques bidimensionnelles ont aujourd’hui la possibilité de donner une nouvelle dimension à leurs outils. L’apport volumique de la 3D offre une analyse approfondie, rendant compte de la spatialité qui permet à l’utilisateur de développer une vision fidèle de l’espace environnant. En outre, la technique lasergrammétrique possède des atouts indiscutables pour le relevé d’éléments architecturaux et de larges scènes. En quelques minutes, il est possible d’obtenir des millions de points 3D avec une densité élevée et une précision de l’ordre de quelques millimètres, quand auparavant cela demandait des semaines par tachéométrie. Cependant, ces avantages certains peuvent être ternis par une phase de post-traitement exigeante, due au traitement d’énormes quantités de données brutes non structurées. Il apparaît clairement la nécessité de trouver des solutions pour optimiser cette phase afin de la rendre plus simple, plus rapide et automatique, pour arriver un jour à une interaction utilisateur minime. C’est au sein de l’Unité de Géomatique de l’Université de Liège, en Belgique, que ce travail d’optimisation et d’automatisation de la chaîne de traitement des données 3D a été mené. Il s’inscrit dans un projet attaché à la modélisation de la Cathédrale Saint-Paul de Liège pour un usage d’archéologie du bâti médiéval. Ce projet vise à retranscrire - grâce à un nuage de plus de 2 milliards de points décrivant intégralement l’intérieur et partiellement l’extérieur de cette œuvre religieuse - la réalité archéologique d’un monument aux détails très fins : ornements, sculptures, vitraux, gabarit des pierres, peintures murales, mortiers, … Cependant, la transmission et l’intégration de ces données brutes dans des bases de données ou leur diffusion sont très lourdes compte tenu de la grande quantité de points. L’exploitation future de ce nuage exige alors un traitement précis et pertinent pour créer, structurer, simplifier, analyser et modéliser les données acquises. Les exigences de retranscription formelle de la réalité conditionnent grandement la qualité des traitements. La pertinence et la précision de différentes reconstructions ainsi que le niveau d’analyse de la scène dépendent d’une étape majeure : la segmentation. Son but est d’extraire d’un large volume de données 3D différents groupes qui partagent un lien logique, afin de les considérer judicieusement comme une même entité. La segmentation manuelle d’un nuage de point est extrêmement chronophage et imprécise pour de grands volumes. C’est pourquoi il est essentiel de développer une méthode automatisée et efficace pour élever les perspectives de production à un autre niveau. La modélisation post-segmentation permet le passage d’un ensemble de points groupés à un modèle surfacique composé d’un nombre réduit d’entités géométriques, liées entre elles par des relations topologiques. Plus léger et manipulable, un modèle 3D de haute qualité est un élément de choix pour être intégré à des systèmes d’information ou comme support d’archivage pour des données archéologiques. Ainsi, la segmentation et la modélisation font partie du processus de production aboutissant à la création de différents modèles pour différents usages. Le passage à la 3D permet de nouvelles avancées et ouvre la discipline sur plusieurs uploads/Geographie/ vers-de-nouvelles-perspectives-lasergram.pdf