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Photogrammétrie : guide étape par étape et comparaison de logiciels

Dans une bande dessinée de 1964, une « machine de traitement » crée des bustes tridimensionnels des amis de Superman en se basant uniquement sur leurs photos. Cette vision est désormais devenue réalité grâce à une série d'algorithmes connus sous le nom de photogrammétrie. 

En se basant sur un ensemble de photographies superposées, les données de nuages de points sont dérivées et traitées pour obtenir un objet tridimensionnel entièrement texturé, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des procédures de travail complexes ou à des programmes de formation spécialisés. L'avantage de cette technologie : des modèles prêts à être imprimés en 3D en quelques clics de caméra et de souris. Aussi simple qu'elle puisse paraître, la photogrammétrie relève à la fois de l'art et de la science. 

Ce guide montrera aux lecteurs les étapes de base du flux de travail de la photogrammétrie et leur proposera plusieurs alternatives d'équipement logiciel de photogrammétrie.

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Qu'est-ce que la photogrammétrie ?

La photogrammétrie désigne l'action de dériver des mesures précises à partir de photographies. Elle consiste à prendre un ensemble de photos superposées d'un objet, d'un bâtiment, d'une personne ou d'un environnement, et à les convertir en un modèle 3D à l'aide d'un certain nombre d'algorithmes informatiques.

Applications de la photogrammétrie

La photogrammétrie est utilisée dans de nombreux domaines d'application :

  • Les architectes utilisent la photogrammétrie pour la planification du site, le suivi de la construction et le rendu de la visualisation.

  • Les artistes peuvent documenter ou convertir un élément d'une œuvre d'art, d'une sculpture ou d'une nature existante en quelque chose de nouveau.

  • Les archéologues peuvent virtuellement cartographier et explorer des zones inconnue, sur terre comme dans les océans.

  • Les concepteurs et les ingénieurs peuvent faire la rétro-ingénierie d'un objet existant ou y adapter de nouvelles pièces.

  • Le contrôle de la qualité des processus de fabrication est considérablement facilité par l'utilisation de la photogrammétrie.

  • Les développeurs de jeux peuvent gagner du temps lors de la conception d'accessoires et d'environnements en utilisant la photogrammétrie combinée à des flux de travail semi-automatiques de modélisation 3D.

  • Les paléontologues peuvent détecter des fossiles et des gisements d'os, déterminer les meilleures approches pour l'exhumation, le gainage et la préservation, ainsi que documenter et partager leurs découvertes. Les cartes 3D détaillées d'un site peuvent révéler plus facilement l'emplacement des fossiles.

  • Pour les cartographes, les géologues, les géomètres et les topographes, la photogrammétrie accélère radicalement le processus de création de cartes.

  • Les chercheurs en médecine légale peuvent capturer des scènes de crime en trois dimensions afin d'obtenir plus d'informations sur la trajectoire des balles, les accidents de voiture et les champs de vision des témoins, ou pour créer des environnements de formation virtuels.

  • Les thérapeutes et autres professionnels de la santé peuvent scanner certaines parties du corps d'un patient pour concevoir des applications sur mesure telles que des prothèses et des orthèses, des chaussures et des appareils auditifs.

  • Dans le domaine du patrimoine culturel, les pièces et les monuments peuvent désormais être préservés à jamais et être virtuellement reconstruits et rénovés.

  • Les conservateurs de musées peuvent créer des collections virtuelles pour attirer le public.

  • Les météorologues utilisent la photogrammétrie pour déterminer la vitesse des tornades.

  • Les photographes disposent désormais d'une dimension supplémentaire avec laquelle travailler.

  • Les entreprises peuvent offrir à leurs clients des service d'impression 3D pour reproduire leurs biens les plus précieux, leurs animaux domestiques ou les membres de leur famille.

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Comment fonctionne la photogrammétrie

Étape 1 : Prendre des images

Prenez une série de photos superposées de l'objet choisi. Un appareil photo 8 mégapixels de smartphone produira déjà des résultats acceptables pour les applications ne requérant pas une précision élevée, mais nous recommandons un appareil photo 18 mégapixels (et plus) de type DSLR pour obtenir de meilleurs résultats. Un appareil photo grand angle est préférable car il présente une faible distorsion de l'objectif. Par exemple, un objectif fish-eye ne fonctionnera pas, à moins de travailler avec un logiciel capable de corriger ce phénomène par adaptation. 

Il est préférable de prendre les photos de manière séquentielle en formant un cercle autour de l'objet. Commencez par un cercle à un angle faible, puis effectuez-en un autre à un angle plus élevé pour capturer les surfaces les plus hautes. Visez un recouvrement d'au moins 50 % entre chaque image, l'idéal étant de 60 à 80 %. Enfin, veillez à prendre quelques photos supplémentaires des zones qui contiennent des détails importants.

Puisque nous n'utilisons pas notre drone pour la photogrammétrie, nous pouvons tout aussi bien en faire une rétroconception. Prenez des photos en deux bandes d'environ 10 (en bleu) et 45 (en orange) degrés d'élévation, avec quelques gros plans (en gris).

Prenez en compte les directives supplémentaires suivantes :               

  • Assurez-vous que l'objet a une surface mate. Les objets transparents ne seront pas bien convertis. Les surfaces réfléchissantes peuvent être rendues mattes en utilisant un spray de scan 3D ou un spray de shampooing sec.

  • Certaines applications logicielles ne traitent pas bien les surfaces sans caractéristiques. Du cirage, de la craie à vaporiser, du ruban de peintre et de la peinture en spray à effet pierre améliorent la lisibilité des surfaces.

  • L'arrière-plan des photos doit présenter un contraste de couleur suffisant pour bien se distinguer de l'objet. Un fond chromatique ou un journal font généralement l'affaire, à condition qu'ils ne montrent pas les mêmes couleurs que celles présentes sur l'objet.

  • L'éclairage doit être constant tout au long de la séance photo, en particulier par temps nuageux.

  • 40 à 50 photos sont généralement suffisantes pour un objet. Plus il y a de photos, mieux c'est, à condition qu'elles ne soient jamais prises de la même position.

  • Le sujet doit occuper une partie importante de l'image.

  • Ne déplacez jamais l'objet pendant la séance.

  • Utilisez une profondeur de champ (DOF) aussi réduite que possible et centrez l'appareil exactement sur l'objet pour chaque photo.

  • Utilisez un trépied pour réduire les effets de flou dans des environnements peu éclairés nécessitant des durées d'exposition élevées.

  • Bien qu'ils soient de plus en plus rapides, les algorithmes des logiciels de photogrammétrie peuvent prendre des heures, voire des jours, pour générer des résultats précis en fonction de la taille de l'ensemble de données. Il est recommandé d'utiliser un ordinateur avec 16 Go de RAM et un processeur graphique Nvidia CUDA.

Étape 2 : Transférer

Ouvrez le logiciel de photogrammétrie de votre choix et importez les photos directement dans la bibliothèque du projet. Il suffit généralement de glisser-déposer. Pour certains programmes, il est important de vérifier la compatibilité de l'appareil photo. Les clichés peuvent être analysés avec une base de données interne afin que le programme puisse optimiser ses résultats en fonction de paramètres tels que la longueur focale, le point principal et le format du capteur d'image. Cela génère un certain nombre de paramètres de distorsion connus sous le nom d'ajustement de faisceaux.

Au cours de la première étape du processus logiciel, les photos sont analysées pour déterminer si elles conviennent au processus de photogrammétrie. Par exemple, une icône verte ou rouge peut apparaître à côté ou au-dessus de la photo dans la bibliothèque. Si beaucoup de photos sont rejetées et qu'une nouvelle séance photo pose problème, un montage Photoshop peut faire l'affaire. Cela se fait fréquemment à l'aide de fonds blancs. La création d'un masque appelé cache de parasite pour chaque image permet de séparer davantage le premier plan de l'arrière-plan. Le fait d'accentuer la netteté des photos peut également améliorer les résultats, car le logiciel détectera mieux les caractéristiques correspondantes entre les photos si leur netteté est similaire.

Étape 3 : Créer un modèle 3D à partir d'images dans un logiciel de photogrammétrie

La plupart des calculs de photogrammétrie sont effectués automatiquement en arrière-plan par le logiciel de photogrammétrie, mais des fonctions avancées peuvent contribuer à améliorer les résultats.

Mise en correspondance d'images

La plupart des suites logicielles de photogrammétrie transforment automatiquement une série de photos en un maillage 3D. Toutefois, certains considèrent la mise en correspondance d'images, également appelée recherche par correspondance, comme une étape distincte devant être effectuée par l'utilisateur. Cela permet de modifier la série de photos avant de lancer les processus les plus exigeants en termes de calcul. Au cours de cette étape, l'ordinateur détermine quelles photos sont utiles au processus et repère les zones de chevauchement sur plusieurs images. Il détermine également la manière dont les images vont s'assembler, à la façon d'un puzzle 3D.

Extraction de caractéristiques

Là encore, dans certains programmes, cette partie est entièrement automatisée et intégrée au flux de travail. Dans d'autres logiciels de photogrammétrie, il est possible de séparer cette étape pour effectuer d'éventuelles mises au point et itérations avant de poursuivre. Au cours de cette étape, le logiciel recherche dans les photos des caractéristiques qui peuvent être reconnus sur plusieurs images. Plusieurs boîtes à outils professionnelles utilisent pour cela des marqueurs codés, une méthode très précise qui fonctionne même sur des surfaces réfléchissantes, transparentes ou sans trait distinctif. Toutefois, la plupart des outils utilisent la technique plus générique de la Structure from Motion (SfM), qui recherche principalement des textures denses sur les objets, comme du texte, des textures boisées, des traits de visage et d'autres motifs. D'autres caractéristiques importantes sont les points d'arête, les lignes et les coins. Certaines solutions enrichissent encore ces données avec des éléments d'éclairage et d'ombrage, une technique avancée connue sous le nom de Shape-from-Shading.

Une fois que toutes les caractéristiques ont été identifiées, celles-ci sont examinées en interne pour éliminer les détections erronées au cours d'une étape connue sous le nom de vérification géométrique. Pour s'assurer que les caractéristiques détectées appartiennent au même point de vue, le moteur SfM crée une transformation qui fait correspondre les points caractéristiques entre les images. Il s'agit d'un ensemble d'algorithmes très complexes basés sur la géométrie projective.

Certains logiciels de photogrammétrie tels que COLMAP permettent à l'utilisateur d'observer le processus de génération de caractéristiques au fur et à mesure qu'il s'effectue. Dans Meshroom, il est possible d'arrêter le processus si l'utilisateur remarque que peu de caractéristiques ont été trouvées dans certaines zones importantes. Il est possible d'améliorer la qualité en amplifiant la sensibilité des points clés et le ratio de correspondance, en modifiant les préréglages, en choisissant A-KAZE comme algorithme de correspondance ou, dans certains cas, un procédé force brute.

Triangulation

En 1480, Léonard de Vinci a mis au point une méthode permettant de déduire l'emplacement du peintre à partir d'un tableau. C'est à peu près ce qui se produit dans cette partie centrale du processus SfM. Les coordonnées 3D des points de surface sont estimées à partir des résultats de la phase précédente, le graphe de scène. Les lignes de vue allant de la caméra à l'objet sont reconstruites, et donnent ce que l'on appelle le nuage de rayons. L'intersection des rayons détermine les coordonnées 3D définitives de l'objet.

Une fois que la géométrie globale a été établie au moyen d'un nuage de points clairsemés, le logiciel de photogrammétrie examine l'éclairage et la texture de la scène pour créer une carte de profondeur. Tel un sculpteur sur bois, il sculpte tous les petits détails du modèle 3D afin de lui donner vie. Les programmes avancés utilisent un processus appelé « delighting » pour égaliser les zones éclairées et ombragées et ainsi obtenir un éclairage plus homogène sur toute la surface du modèle. Il est même possible d'inverser le calcul et d'annuler les effets d'occlusion ambiante. Si un modèle éclairé de façon réaliste est souvent préférable pour une visualisation sur écran, un modèle illuminé de façon homogène est préférable pour une impression 3D en couleur.

Ensuite, la reconstruction dense (où intervient la carte de profondeur) et la reconstruction éparse (qui cartographie toutes les caractéristiques visuelles détectées lors des étapes précédentes) sont toutes deux combinées dans un format de maillage 3D comme FBX, OBJ, PLY ou STL.

La phase de triangulation se déroule automatiquement. L'utilisateur peut améliorer la qualité en augmentant certains paramètres tels que la longueur de la piste, le nombre de caméras voisines et le nombre maximum de points. Certains programmes de photogrammétrie permettent également à l'utilisateur de déterminer le nombre de triangles présents dans l'objet maillé 3D, ce qui influe sur la taille du fichier et la facilité de post-traitement. Notez que la modification de ces paramètres doit être effectuée avec précaution, car ils peuvent facilement allonger le temps de traitement.

Certains outils logiciels professionnels de photogrammétrie utilisent des techniques supplémentaires d'apprentissage automatique pour classer les objets détectés tels que les feuillages, les bâtiments et les véhicules. Ils peuvent filtrer les objets d'arrière-plan en mouvement comme les oiseaux et les piétons, et établir des données de formes améliorées sur la base d'informations supplémentaires telles que les silhouettes de premier plan, la réflectance et l'irradiance. Les formes fines comme les structures métalliques ou les lignes électriques peuvent être automatiquement recréées en 3D à l'aide d'algorithmes d'ajustement des courbes caténaires.

Étape 4 : Post-traitement

Si la partie informatique de la photogrammétrie est un processus complexe, c'est en fait la partie la plus facile pour l'utilisateur, qui n'a souvent qu'à déposer ses images et à appuyer sur quelques boutons. Le véritable travail commence une fois que le modèle 3D a été généré. La photogrammétrie ne permet pas d'obtenir un modèle maillé étanche prêt à être imprimé en 3D. Il y a généralement des éléments flottants, du bruit numérique, des trous et des irrégularités à nettoyer. L'objet devra également être réorienté et remis à l'échelle, ce qui est fait de manière tout à fait arbitraire par les logiciels de photogrammétrie.

Certains logiciels disposent d'outils de post-édition intégrés ; si ce n'est pas le cas, un bon flux de travail consiste à effectuer les conversions de fichiers nécessaires dans Meshlab et le travail de nettoyage, de réparation, de remaillage et de resculptage du maillage dans MeshMixer. Tous ces programmes sont gratuits pour un usage commercial. 

Lorsque cette étape est terminée et que le fichier est enregistré au format STL, l'objet est prêt à être imprimé en 3D ou importé dans un logiciel CAO.

Pour plus d'informations sur la réparation des maillages, consultez notre tutoriel approfondi sur MeshMixer.

Comparaison de logiciels de photogrammétrie

Ces dernières années, des logiciels de photogrammétrie faciles à utiliser, rentables et permettant d'obtenir des modèles qui ressemblent réellement à l'original ont fait leur apparition. Les développeurs procèdent à des itérations rapides pour ajouter les fonctionnalités nécessaires à l'optimisation du processus de maillage et à la correction des erreurs. 

Si la phase de photographie a été menée correctement, plusieurs outils gratuits suffiront pour mener à bien des projets de photogrammétrie de base. Il existe ensuite des outils destinés au grand public dont vous pouvez acheter la licence perpétuelle, et qui offrent des fonctionnalités plus avancées et une qualité un peu plus fiable. Le prix des outils professionnels est bien plus élevé, mais ils offrent en contrepartie des résultats impeccables et des fonctionnalités avancées telles que la reconnaissance d'éléments et la reconstruction du modèle par l'IA, la compatibilité avec la numérisation laser, la photogrammétrie vidéo, la taille illimitée des ensembles de données, des captures basées sur des marqueurs et/ou des outils permettant la photogrammétrie aérienne par drone.

QualitéVitesseCaractéristiquesFacilité d'utilisationPrix
3DF Zephyr★★★★☆★★★☆☆★★★★★★★★★☆★★★★★
Agisoft Metashape★★★★☆★★☆☆☆★★★★☆★★★☆☆★★★★☆
Autodesk ReCap★★★★★★★★☆☆★★★☆☆★★★★★★☆☆☆☆
COLMAP★★★★☆★★★★☆★★☆☆☆★☆☆☆☆★★★★★
iWitness★★★★★★★☆☆☆★★★☆☆★★★☆☆★★☆☆☆
Meshroom★★★★☆★★☆☆☆★★☆☆☆★★☆☆☆★★★★★
Qlone★★☆☆☆★★★★★★★☆☆☆★★★★★★★★☆☆
RealityCapture★★★★★★★☆☆☆★★★★☆★★★★★★★☆☆☆
Regard3D★★★☆☆★★☆☆☆★★☆☆☆★★★☆☆★★★★★
VisualSFM★★★☆☆★★★☆☆★★☆☆☆★★★☆☆★★★★★

Autodesk ReCap

Le logiciel ReCap d'Autodesk est le plus sophistiqué de sa catégorie. Il est issu d'une application acquise au début des années 2000, RealViz Image Modeler. Ils en ont fait un projet gratuit appelé Photofly, qui est ensuite devenu 123D Catch, basé sur le cloud. Après quelques années, Autodesk a décidé de monétiser son logiciel Autodesk Remake, qui a été remonétisé et rebaptisé ReCap. 

Les algorithmes de photogrammétrie d'Autodesk sont quasiment inégalés dans le secteur et s'avèrent être parfaits pour fournir des scans directement imprimables en 3D. La fonction de nettoyage automatique est exceptionnelle et plusieurs outils d'édition de maillage sont disponibles pour préparer rapidement les modèles aux plateformes AR/VR. Pour les développeurs de jeux, il existe une option très pratique qui permet de produire directement des cartes indiquant le relief et les déplacements. L'interface utilisateur semble facile à utiliser, même si quelques petits défauts subsistent, comme par exemple l'absence d'une barre d'indication de progression pendant les temps d'attente. Bien qu'il fournisse des résultats de pointe, Autodesk ReCap n'est pas l'option la plus adaptée pour les utilisateurs débutants, compte tenu de son prix et des restrictions au traitement basé sur le cloud.

RealityCapture

RealityCapture est une excellente solution qui fournit des résultats de scan très précis. Ce qui le distingue le plus des autres est sa vitesse de traitement. Là où d'autres logiciels plantent ou font attendre l'utilisateur assez longtemps, RealityCapture fournit systématiquement des résultats rapides comme l'éclair, même quand il s'agit d'énormes ensembles de données. Il est également moins gourmand en ressources RAM que d'autres logiciels. Le prix d'une licence perpétuelle est comparable à celui d'autres solutions professionnelles, même si la version qui inclut la numérisation laser est beaucoup plus coûteuse. Une alternative est le plan PPI (pay per input), qui permet à l'utilisateur d'accéder gratuitement à toutes les fonctionnalités mise à part la sauvegarde des résultats.

L'interface utilisateur donne l'impression d'un environnement d'édition professionnel et offre de nombreuses options, regroupées en fonction des étapes du processus de photogrammétrie. L'interface utilisateur entièrement configurable, basée sur des onglets et des panneaux, peut paraître très familière aux utilisateurs car elle semble s'inspirer des plateformes logicielles Windows et Autodesk. Des gadgets et des outils de sélection astucieux sont également ajoutés à chaque mise à jour. Les utilisateurs débutants peuvent avoir leurs résultats en seul clic, tandis que les experts disposent de nombreuses options. L'optimisation et l'exportation directe vers Sketchfab est un ajout pratique. Bien qu'il répare assez bien les mailles, l'un de ses défauts est que l'utilisateur n'a aucun contrôle sur le bouchage des trous, étant donné que tous les trous sont automatiquement bouchés par le programme. Pour plus de contrôle, l'utilisateur devra se tourner vers des outils externes tels que Netfabb ou MeshMixer. Pour les objets mécaniques présentant des surfaces plates, RealityCapture a tendance à produire des résultats assez bruyants, ce qu'il compense en proposant un outil de lissage. Ses algorithmes se prêtent particulièrement bien à la numérisation d'objets organiques sans caractéristiques planes.

Agisoft Metashape

Agisoft est une entreprise russe, et bien qu'à première vue son logiciel ait l'air quelque peu dépassé avec son interface utilisateur de style Windows, les résultats obtenus sont très fiables et comparables à ceux générés par Autodesk ReCap. Pour la numérisation d'objets mécaniques à surfaces planes, Metashape produit des maillages légèrement moins bruyants que RealityCapture, mais il peut également générer des maillages moins détaillés malgré le fait qu'il prenne trois fois plus de temps. Il présente également certains problèmes liés à l'éclairage directionnel des bords qui peuvent entraîner des trous importants. Le conseil de ne prendre des photos que dans des conditions nuageuses est ici d'une importance capitale.

La version standard de Metashape coûte moins de 200 $ et prend déjà en charge des ensembles de photos allant jusqu'à 1024 images, ce qui ne convient qu'aux projets de grande envergure tels que la capture de tout l'intérieur d'un bâtiment ou de cadres géographiques. En termes de prix, la version professionnelle se situe dans la même fourchette que les autres solutions et offre une cartographie détaillée de la profondeur, des scans basés sur des marqueurs, un alignement manuel des photos, une génération de formes avec apprentissage automatique, et un traitement en nuage. Néanmoins, les options de la version standard sont étonnamment complètes. Même si elles ne sont pas si avancées, elles comprennent plusieurs options pour le bouchage des trous et la réparation des mailles. Il est possible d'importer des données vidéo, de les traiter par lots, de créer des panoramas ainsi que des vidéos de survol. Le programme n'est pas limité aux processeurs graphiques NVIDIA CUDA comme l'est RealityCapture. La cartographie UV des textures est effectuée de manière très logique, ce qui rend les textures modifiables par Photoshop, contrairement à la plupart des autres solutions de photogrammétrie. Il existe un mode 2,5D qui permet d'accélérer la numérisation des textures de surface par rapport à la procédure de photogrammétrie classique.

Pour couronner le tout, Metashape est l'un des rares environnements qui permet de modifier le maillage en externe et de réimporter ensuite le modèle dans le studio de photogrammétrie. Bien qu'au contraire de ReCap il n'offre pas d'outils de retopologisation ou de sculpture, il est tout à fait possible d'effectuer les opérations avancées de nettoyage, de réparation, de remaillage et de resculptage de maillages dans MeshMixer. Pour des options de sculpture plus avancées, utilisez le logiciel gratuit Sculptris ou son cousin professionnel Zbrush.

AliceVision Meshroom

Meshroom est une solution gratuite et open-source de conversion de photos en données solides qui s'appuie sur un système avancé de vision artificielle appelé AliceVision. L'interface nodulaire est assez difficile d'accès et il faut un certain temps pour la maîtriser. Une fois que l'utilisateur a compris quels paramètres il convient de modifier dans les sous-menus et comment réorienter certains nœuds, il est relativement facile de produire des maillages de plus en plus raffinés. Contrairement au pipeline linéaire, plusieurs modules SfM peuvent être utilisés en parallèle et combinés ultérieurement pour obtenir un maillage plus robuste. Cela offre l'avantage d'un contrôle supplémentaire sur la qualité finale du maillage. Alors que les utilisateurs professionnels bénéficient d'une vue d'ensemble complète, les utilisateurs novices peuvent simplement appuyer sur le bouton Démarrer après le téléchargement des photos et laisser l'ordinateur faire le reste. Le programme ne ralentit que si les paramètres les plus élevés sont sélectionnés.

Dans l'ensemble, Meshroom est l'une des meilleures solutions gratuites et open-source (FOSS) pour la photogrammétrie, et produit généralement des maillages de bonne qualité. Il ne propose pas d'outils d'édition de maillage ; l'utilisateur doit donc trouver d'autres alternatives. De plus, il a tendance à ne pas prendre en compte un pourcentage substantiel de positions de caméra : il est donc primordial d'adhérer aux directives de photographie appropriées. Une caractéristique intéressante est que des photos peuvent être prises et ajoutées directement à la sélection pour améliorer les résultats de la numérisation. Chaque fois que le module de maillage est activé, un modèle 3D au format OBJ est automatiquement généré dans le dossier de sortie. Cela permet des cycles d'itération rapides.

3DF Zephyr

Zephyr de 3Dflow est un studio d'édition renommé, doté d'un ensemble d'outils et d'une interface utilisateur professionnels. Pour ceux qui débutent en photogrammétrie, il propose un assistant qui guide les utilisateurs tout au long du processus en fonction de leur niveau d'expertise et du type de projet de photogrammétrie (rapproché, urbain, corps humain ou aérien). La version gratuite ne prend en charge que 50 photos maximum, ce qui est une quantité acceptable pour la photogrammétrie à objet unique. La version Lite, très abordable, permet de porter ce nombre à 500, tandis que la version complète offre un nombre illimité de photos.

Zephyr n'est pas une solution rapide. Un scan normal demande environ deux heures, et pour un scan de haute qualité, il faut compter une nuit d'attente. Pour obtenir une qualité optimale, il existe une option « Ultra » dans la rubrique « Paramètres », qui est cachée pour l'utilisateur lambda en raison des risques de blocage de l'ordinateur. Zephyr regorge de fonctions pratiques telles que l'accentuation des textures, le bouchage des trous, la retopologie, le lissage, le téléchargement vers Sketchfab, l'importation de vidéos, ainsi qu'un outil de masquage manuel appelé « Masquerade » qui permet de séparer l'objet de premier plan de l'arrière-plan dans les projets plus compliqués. La version Pro offre des options de cibles codées, de traitement par lots, d'alignement par scan laser, et produit des fichiers STL et Collada en plus des formats habituels OBJ et PLY. 3DF Zephyr fonctionne sur tout PC Windows possédant DirectX.

Colmap

Colmap est une solution gratuite de photogrammétrie développée à l'origine à des fins de recherche. Combinant une interface graphique et un fonctionnement en ligne de commande, il est principalement destiné aux utilisateurs professionnels. Pour les utilisateurs débutants, les aspects techniques peuvent sembler intimidants, mais le mode Reconstruction Automatique est là pour les aider. Colmap convient aussi bien aux projets rapprochés qu'aux projets à grande échelle, et nécessitera un logiciel externe pour les opérations de réparation du maillage. Il ne fonctionne que sur Windows et nécessite une carte graphique NVIDIA. L'avantage est que Colmap offre de nombreuses options avancées permettant de générer des maillages de haute qualité.

Regard3D

Regard3D est un petit programme gratuit qui guide l'utilisateur dans le processus de photogrammétrie via une série de panneaux d'interface utilisateur de type Windows. Plusieurs paramètres sont disponibles à chaque étape, ce qui est expliqué plus en détail sur le site Web de Regard3D. Il comprend plusieurs procédures différentes telles que la SfM, l'environnement multi-vues et la reconstruction de surfaces. C'est à l'utilisateur de se familiariser avec elles afin de générer des résultats de numérisation optimaux. Notez que Regard3D ne fonctionne qu'avec les appareils photo connus de sa base de données, ce qui exclut certains smartphones plus anciens. Les plantages sont rares mais peuvent se produire avec de grands ensembles de données ou des paramètres trop élevés. Le logiciel exporte soit un nuage de points au format PLY, soit un maillage triangulé au format OBJ.

VisualSFM

VisualSFM est une solution de photogrammétrie gratuite à but non lucratif, développée par un ingénieur de Google. Les algorithmes de densification qui convertissent les correspondances de caractéristiques en nuages de points sont similaires à ceux utilisés par Regard3D. L'interface utilisateur fonctionne soit par une interface de ligne de commande, soit par des boutons à base d'icônes, ce qui nécessite quelques connaissances préalables. Une caractéristique intéressante de VisualSFM est son interface utilisateur zoomable qui permet à l'utilisateur de parcourir très facilement de grands ensembles de photos. L'utilisateur peut également observer la reconstruction en direct d'un nuage de points, chaque caméra pouvant être sélectionnée individuellement et reliée visuellement à sa photographie originale. Cela rend l'attente des résultats un peu plus agréable. Il existe des tonnes d'options de réglage pour les utilisateurs avancés, tandis que les débutants n'ont qu'à appuyer sur quatre boutons. Notez que VisualSFM exporte un nuage de points au format PLY qui nécessite d'être converti en maillage avec des outils externes tels que Meshlab.

iWitness

iWitness est une suite photogrammétrique professionnelle développée par l'entreprise australienne Photometrix. Comme il peut intégrer des points de contrôle au sol (GCP), par exemple à partir de données GPS, il est particulièrement adapté aux applications à grande échelle dans les domaines de l'architecture, de l'arpentage, de la reconstitution d'accidents et des enquêtes médico-légales. Les algorithmes sont très précis et peuvent produire des nuages de points tridimensionnels à partir de l'ensemble des photos avec une précision d'un pixel. iWitness est également utile pour la photogrammétrie rapprochée et la rétro-ingénierie. Avec une préparation adéquate, il est possible de scanner les moindres détails de tout petits objets, comme par exemple des pièces de monnaie. La courbe d'apprentissage est assez faible, puisque les utilisateurs débutants peuvent obtenir un scan 3D complet en utilisant seulement cinq boutons dans la barre d'outils de son interface utilisateur de style Windows.

La version standard d'iWitness coûte environ mille dollars US et comprend toutes les fonctionnalités principales. Son principal inconvénient est qu'il ne permet aux utilisateurs que de traiter un maximum de quarante images. Ce nombre est illimité dans la version PRO, qui coûte certes plus du double de la version classique, mais qui offre également un support pour les cibles codées rétroréfléchissantes, ainsi que le cloud computing. Il dispose également d'une fonction qui génère automatiquement un réseau de courbes et de polylignes 3D qu'il est possible de directement exporter vers des environnements CAO supportant le format de fichier DXF. Cette fonction permet également de numériser un dessin bidimensionnel sur papier et de convertir le résultat en DXF pour l'utilisation de routeurs CNC ou de découpeuses laser.

Photomodeler

Photomodeler est un logiciel haut de gamme qui offre une myriade d'outils. Il convient parfaitement à l'intégration de la CAO et comprend un plugin Rhinoceros. Il existe des outils pour la numérisation de motifs destinés à la fabrication de produits CNC, de produits textiles pour la mode, de voiles de bateau ou de garnitures, pour ne citer que quelques applications. Plusieurs outils de modélisation manuelle peuvent produire directement des surfaces maillées pour reproduire des formes telles que des cônes, des cylindres, des éléments rectangulaires et des surfaces bombées. Le processus de génération automatique de nuages de points est basé sur l'algorithme MVS, qui produit des résultats texturés précis pouvant être exportés vers de nombreux formats de fichiers différents.

Le lancement d'un projet se fait au moyen d'un assistant qui propose les bonnes options au bon moment. La version standard de Photomodeler est proposée à un prix légèrement inférieur à mille dollars américains. La version premium coûte le triple mais offre davantage de fonctionnalités intelligentes, une meilleure modélisation des surfaces denses, ainsi que la prise en charge des drones.

Photomodeler n'est cependant pas un éditeur de photogrammétrie à proprement parler, puisqu'il s'appuie sur une méthode entièrement différente pour la reconstruction des objets. Celle-ci consiste à prendre un petit ensemble d'images (trois ou quatre) prises à des angles perpendiculaires par rapport à l'objet, et à utiliser des marqueurs codés et la saisie manuelle de données pour reconstruire l'objet plutôt qu'un flux de travail photo-solide automatisé. Il ne convient que pour des applications professionnelles spécifiques, pas pour la rétro-ingénierie.

Qlone

Cet aperçu ne serait pas complet s'il n'incluait pas une application de photogrammétrie mobile. La voici : Qlone. Étant donné que les plateformes mobiles de photogrammétrie n'en sont qu'à leurs débuts, il faut avouer que Qlone fonctionne plutôt bien. Les résultats y sont générés en quelques minutes, et ils peuvent ensuite être exportés pour être visualisés dans Sketchfab, intégrés dans des applications AR, ou convertis en un modèle 3D imprimable et transmis directement à un fournisseur de services d'impression 3D en ligne. Il existe une version gratuite qui produit des modèles à faible résolution. La version premium et les achats dans l'application ajoutent des numérisations haute résolution et des exportations illimitées vers OBJ, STL, X3D et PLY, ainsi que la visualisation AR.

Pour qu'un smartphone soit adapté à la photogrammétrie, il doit posséder un bon appareil photo, une grande puissance de traitement et un stockage interne suffisant. Il convient de photographier les modèles sur un tapis de numérisation spécifique à Qlone. Pour embellir les maillages obtenus, Qlone propose des outils de remaillage, de sculpture et de lissage. Une fonctionnalité supplémentaire permet la création automatique de GIF pour partager des animations de l'objet sur les médias sociaux. Notez que l'application iOS comprend plus de fonctionnalités que la version Android.

Étude de cas : la photogrammétrie pour la rétro-ingénierie

Cette section se concentre sur la photogrammétrie rapprochée utilisée pour la rétro-ingénierie, dans le contexte de la conception et du développement de produits. 

La rétro-ingénierie est un bon moyen de créer des conceptions numériques à partir d'une pièce physique. Elle peut être un outil précieux dans les flux de travail du prototypage, tout comme d'autres technologies telles que la modélisation et l'impression 3D. Elle est de plus en plus utilisée pour adapter des pièces et des installations de bateaux, d'avions, de voitures, ainsi que des armoires de cuisine, des piscines, des escaliers, des canalisations et des machines industrielles. Le principal avantage de la photogrammétrie est son flux de travail rapide et sans contact, ainsi que le faible coût de l'équipement et le peu d'expérience nécessaire. Comme les concepteurs souhaitent parfois numériser un objet dans un but spécifique, nous allons vous montrer comment tout cela fonctionne en prenant comme exemple une souris d'ordinateur générique. Il est difficile de scanner cet objet et d'en générer un modèle précis, car ses surfaces sont pour la plupart organiques et sans caractéristiques.

Préparation

Après avoir éliminé les images floues, l'ensemble de photos final se compose de 41 photos, prises avec un smartphone Motorola G9 Play en plein jour par temps couvert. Étant donné qu'une surface mate sans caractéristiques ne permet pas d'obtenir des résultats exploitables, l'objet a été recouvert d'une peinture en spray à effet marbré. L'objet est ainsi moucheté, ce qui le rend parfaitement adapté pour la photogrammétrie, et ce bien plus que d'autres méthodes. Pour l'arrière-plan, vous obtiendrez les meilleurs résultats en choisissant une illustration pleine de caractéristiques imprimée un papier mat, avec des couleurs contrastées et des formes de référence claires.

Nous avons sélectionné les outils logiciels les plus prometteurs en fonction de leur aptitude à la rétro-ingénierie, des flux de travail automatisés, de la qualité des résultats, de leur prix et de leur capacité à exporter directement les maillages : 3DF Zephyr, RealityCapture, COLMAP, Meshroom et Regard3D. Nous avons également utilisé l'application Qlone pour tester une solution axée sur le mobile. 

Notre objet de photogrammétrie, une souris optique filaire Dell M-UVDEL1, apprêtée avec de la peinture en spray couleur marbre et positionnée sur une illustration d'arrière-plan représentant le continent antarctique.

Résultats

Dans toutes les suites logicielles, nous avons sélectionné le préréglage ou la configuration donnant généralement des résultats de haute qualité. Nous avons également testé quelques-unes des configurations Ultra telles que celles proposées par Meshroom et Colmap, mais celles-ci n'ont qu'à peine amélioré les résultats tout en augmentant le temps de traitement jusqu'à 400 %.

À gauche : correspondances de caractéristiques avec Colmap. A droite : extraction de caractéristiques avec Meshroom.

Meshroom trouve beaucoup plus de correspondances de caractéristiques que les autres systèmes logiciels et fournit des résultats précis. Une fois que vous vous êtes familiarisé avec le réglage des paramètres, il est facile d'adapter la qualité à des besoins spécifiques. L'inconvénient, c'est que le préréglage Élevé a pris 76 minutes, ce qui est somme toute assez lent, mais reste tout à fait convenable. Le réglage Ultra demande généralement une nuit entière mais donne de meilleurs résultats. Les résultats peuvent comporter quelques erreurs, ce qui nécessite de faire quelques essais pour trouver les paramètres et les algorithmes appropriés. Avec le préréglage Élevé, la forme est compilée de manière complète et précise avec des dimensions globales correctes. Les zones faiblement éclairées sont assez bien reproduites. Les détails du maillage y sont relativement grossiers et les textures de surfaces sont assez granuleuses. Le cordon manque, et la molette de la souris n'est pas rendue de manière fidèle. De tous les programmes testés, il arrive en deuxième position pour le meilleur rendu de la forme globale, ce qui est utile pour la rétro-ingénierie de pièces présentant des surfaces complexes ou organiques.

Pour générer rapidement des résultats exploitables, Colmap constitue la meilleure solution. Il a généré un maillage de haute qualité en seulement 14 minutes. Les détails et les bords sont clairement visibles, mais les performances dans les zones faiblement éclairées se sont avérées plus problématiques. Il y avait quelques protubérances faussées à certains endroits, mais rien qui ne puisse être corrigé.

Regard3D a mis 23 minutes pour produire un rendu moins détaillé de la souris d'ordinateur. Le maillage présentait un certain nombre d'alvéoles et l'environnement contenait une multitude de corps étrangers flottants – ce qui n'est bien sûr pas à prendre au pied de la lettre. Cet effet est devenu moins perceptible après avoir augmenté le niveau de la qualité, bien que la souris de l'ordinateur soit restée plus ou moins la même. Mise à part la souris elle-même, le cordon a été presque entièrement rendu, et tandis que la durée de traitement a triplé après que nous avons sélectionné un paramètre de qualité plus élevé, la qualité de la périphérie a elle aussi augmenté de manière significative. Il s'avère que Regard3D excelle plus dans la numérisation des espaces plutôt que dans celle des objets individuels.

3DF Zephyr a obtenu des résultats satisfaisants à tous les égards. Après seulement 20 minutes de traitement, la forme générale était entièrement visible, les surfaces n'étaient que légèrement alvéolées, la plupart des détails étaient présents mais quelque peu grossiers, et l'arrière-plan et le cordon étaient très bien rendus. Lorsque le paramètre caché « Ultra » a été activé, le temps de traitement a quadruplé sans que le maillage ne soit amélioré de façon significative par rapport à celui généré en mode « Haute qualité ». Ce maillage dépassait les 500Mb, et était donc cinq fois plus lourd que les maillages obtenus avec les autres programmes. Comme la surface est relativement lisse, il est facile de décimer le maillage pour obtenir une taille de fichier plus petite. Les zones faiblement éclairées sont rendues de manière exceptionnellement nette, ce qui peut s'avérer très utile lors du scan photo d'objets comportant des cavités et des fissures profondes.

Maillages obtenus avec les solutions de photogrammétrie sélectionnées : Colmap, Meshroom, Qlone, Regard3D, 3DF Zephyr et RealityCapture.

Sans surprise, l'application Qlone a obtenu des résultats relativement médiocres. Le processus de numérisation prend environ cinq minutes, tandis que le traitement requiert environ 20 minutes et un quart de la batterie du téléphone. Si l'on en juge par les résultats non texturés, seul le contour de la forme est assez précis. La zone la plus élevée est devenue pyramidale, au lieu d'être doucement incurvée. La molette de la souris a entièrement disparu, mais le cordon est resté. L'application fonctionne assez bien pour les petites figurines qui peuvent être converties en éléments de jeu. Qlone requiert un tapis de balayage qui contient une grille carrée. Comme des voxels, les carrés de la grille sont extrudés à la hauteur appropriée et, au final, une surface lisse est « dessinée » sur la grille de voxels, à la manière d'une voûte. Le fait que Qlone permette à l'utilisateur d'observer le processus de génération de surface pendant la numérisation est une bonne chose, mais il n'est pas adapté à la rétro-ingénierie.

La souris d'ordinateur numérisée par photogrammétrie, retravaillée avec MeshMixer et prête pour l'importation dans un logiciel CAO.

Les meilleurs résultats ont tous été obtenus avec RealityCapture, sans exception. Ces résultats sont la preuve qu'il existe des différences de qualité entre les différentes solutions photogrammétriques, et qu'il est possible de réaliser des scans photogrammétriques de haute qualité avec un petit budget. Le rendu de la forme générale est aussi précis que dans Meshroom ou Zephyr, mais tous les détails y sont également présents dans leur quasi intégralité. Les bords y sont également plus nets que dans Colmap ; même les lignes de jonction et les zones peu éclairées y apparaissent clairement. Il n'y a pas d'éléments flottants dans le maillage final, ce qui fait du post-traitement un jeu d'enfant. Avec un peu de découpage et de polissage, un tel maillage peut être importé directement dans un environnement CAO pour le resurfaçage et la rétro-ingénierie. L'inconvénient par rapport à une solution logicielle gratuite open-source est que RealityCapture demande aux clients de payer une petite somme par modèle exporté. Mais les améliorations de la qualité valent bien cet investissement.

Fidélité du rendu de la formeDétailsBruitZones flottantesZones faiblement éclairéesPerformances générales
3DF Zephyr★★★★★★★★☆☆★★★☆☆★★★☆☆★★★★★★★★★☆
Meshroom★★★★★★★★☆☆★★☆☆☆★★☆☆☆★★★★☆★★★☆☆
Regard3D★★★☆☆★★★☆☆★☆☆☆☆★★★☆☆★★☆☆☆★★☆☆☆
COLMAP★★★★☆★★★★☆★★★☆☆★★★★☆★★★☆☆★★★☆☆
RealityCapture★★★★★★★★★★★★★★☆★★★★☆★★★★☆★★★★★
QLone★☆☆☆☆☆☆☆☆☆★★★★★★★★★☆★★★☆☆★☆☆☆☆

Conclusion

La photogrammétrie est une alternative intéressante à la numérisation 3D, car elle ne nécessite qu'un appareil photo numérique ou un smartphone et un logiciel. Elle est accessibles à tous ceux qui souhaitent créer des modèles numériques 3D détaillés et les recréer à l'aide d'une imprimante 3D.

Il faut un peu d'expérience et souvent quelques essais avant de pouvoir créer un ensemble de photos utilisable pour un projet donné. L'objet à numériser nécessitera probablement aussi quelques modifications telles que le matage ou la texturation pour être numérisable. Ce guide a également passé en revue une multitude d'offres de photogrammétrie actuellement sur le marché. Nous avons constaté des différences substantielles en termes de qualité, de facilité d'utilisation, de vitesse de fonctionnement, de prix et de fonctionnalités intelligentes. Même si nous avons exclu les applications aériennes de l'article, certains programmes comme iWitness et Qlone sont clairement destinés à des groupes d'utilisateurs et à des domaines d'application spécifiques, tandis que d'autres comme 3DF Zephyr, Autodesk Recap et RealityCapture offrent un ensemble d'outils plus génériques utilisables dans de nombreux domaines d'application.

Lors de l'impression 3D de modèles numériques avec une imprimante 3D haute résolution comme les imprimantes stéréolithographiques de Formlabs, le niveau de détail du scan sera décisif car l'imprimante reproduira exactement tous les détails présents. La vitesse de traitement et la facilité d'utilisation sont des facteurs secondaires qui déterminent dans quelle mesure le logiciel peut être intégré au processus. Certaines caractéristiques spéciales permettront des applications avancées, par exemple la conversion en données CAO pour une personnalisation plus poussée, l'alignement avec les données du scanner laser, les modes de numérisation de motifs 2/2.5D, la détection d'objets et la possibilité de reproduire des surfaces planes et cylindriques. L'incorporation directe des fonctionnalités d'optimisation de maillage dans le processus de photogrammétrie est de moindre importance, car ces tâches peuvent facilement être effectuées par une pléthore d'outils disponibles gratuitement.

La photogrammétrie peut être un outil précieux et rentable pour la rétro-ingénierie. Il y aura quelques déviations de l'ordre de 0,1 à 0,5 mm et des éléments indésirables dans le maillage. Mais avec un peu de post-traitement et de tâtonnements, vous pourrez l'utiliser dans de nombreux projets de rétro-ingénierie pour des objets présentant une complexité géométrique faible ou moyenne. Pour obtenir une plus grande précision, la numérisation 3D par laser ou une approche hybride incluant la photogrammétrie reste la meilleure solution.