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Cas d'étude

Photogrammétrie à l'échelle microscopique

Il y a maintenant quelques années, cet étrange prototype a pris forme dans notre labo à Buildwise: un microscope permettant la reconstruction 3D d’échantillons de pierre, en labo ou sur site. Premiers essais très concluants, notamment avec une étude sur la cristallisation des sels!

Aperçu

Capture

Traitement

Livrables

Introduction

Dès les premiers essais en photogrammétrie, on a réalisé que la technique est hautement polyvalente et applicable à multiples échelles. Naturellement s’est posé la question de la mesure à l’échelle microscopique. Il a fallut pour cela créer un équipement sur mesure!

Au final, on peut reconstruire des surfaces de pierres inférieures à 1mm!

micro image stone

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Capture

Maitriser le déplacement de l'appareil photo

Les objectifs photo ‘macro’ couplés à des capteurs à haute résolution permettent de capturer des informations microscopiques. En effet, un objectif à grossissement 5X couplé à un capteur 42MP donne une taille théorique de pixel de 0,91µm! L’intérêt de tester la photogrammétrie sur ce matériel photographique apparaît clairement.

La Photogrammétrie repose sur des images qui se chevauchent fortement. Par conséquent, chaque objet d’intérêt doit être capturé en utilisant un modèle de mouvement clair avec des arrêts régulièrement espacés pour déclencher l’appareil photo.  Malheureusement, le déplacement latéral qui serait nécessaire avec un grossissement de 5X est incompatible avec un système de capture à main levée: Pour un recouvrement de 90 % entre deux images il faudrait déplacer l’appareil de moins d’1 mm latéralement! Et rester stable lors de la photo! Même sur trépied, ces petits pas sont extrêmement difficiles à réaliser.

C’est pourquoi un dispositif spécifique a été mis au point pour relever les défis de la photogrammétrie à l’échelle microscopique à l’aide d’un objectif macro. Le dispositif de numérisation motorisé se compose d’un appareil photo hybride Sony A7r3 monté sur une CNC à trois axes. Cela permet de capturer une surface plane perpendiculairement avec un haut niveau de précision et des possibilités d’automatisation. Les mouvements de la mise au point et de chevauchement latéral peuvent être contrôlés avec précision.  En plus, un anneau LED sur mesure permet un contrôle précis des conditions d’éclairage. La table de numérisation peut traiter des surfaces allant jusqu’à 550 x 800 mm. Le facteur limitant est en fait le temps de calcul nécessaire à la reconstruction dense à partir d’un grand nombre de photos d’entrée…

micro hardware 2
micro hardware

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Traitement

'Stitching' des photos

Une fois les photos successives capturées, une première approche consiste à réaliser un ‘stitching’ de ces fichiers. Cela consiste à coller les images les unes aux autres afin de créer une seule large image, ultra-détaillée, constituées de centaines de millions de pixels.

stitching
Collage des photos pour obtenir une super-image de la zone photographiée
result

Ou reconstruction 3D

En utilsant un logiciel de photogrammétrie, on peut obtenir un nuage de points de la surface photographiée, cela permet bien sûr des analyses beaucoup plus poussées, notamment sur le processus de vieillissement de la pierre. La densité moyenne de surface du nuage de points obtenu est de 47000 pts/mm²! 

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Livrables

Deux types d’informations peuvent être extraits des données 3D à haute résolution : géométriques et texturales. En fonction de l’objectif de l’étude, les données générées par la photogrammétrie peuvent donc être valorisées par divers algorithmes de traitement 3D, mais aussi par des protocoles d’analyse d’images.
La figure ci-dessous montre le flux de travail numérique qui a été appliqué aux nuages de points, afin d’étudier spécifiquement les dommages causés à la pierre par la cristallisation du sel. Les nuages de points à haute résolution peuvent d’abord être traités par l’analyse en composantes principales (ACP ou PCA en anglais) pour détecter des caractéristiques géométriques telles que la planéité locale. En fonction du rayon de voisinage local choisi pour l’ACP, l’accent peut être mis sur différentes échelles de porosité et sur les dommages associés. Les modèles numériques d’élévation (MNE) sont d’autres résultats utiles. Si un plan est adapté aux données de surface, il peut servir de référence comparative pour mettre en évidence la planéité globale de la surface étudiée.

Plus avancé encore, la comparaison de deux nuages générés à différents moments d’une expérience d’altération permet de mettre en évidence l’impact des transferts d’eau et de sels sur la microstructure des échantillons de pierre. Cette comparaison est réalisée avec l’algorithme de distance “nuage à nuage” de CloudCompare, à condition que les deux nuages de points d’entrée soient correctement recalés l’un par rapport à l’autre. Le champ scalaire de distance produit peut être divisé en fonction des directions de l’axe géométrique principal, afin de mettre en évidence les déformations structurelles spécifiques.

process
Un processus complexe de traitement pour caractériser la surface de l'échantillon en pierre à partir du nuage de points
micro scale

Author

Samuel Dubois

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