Modèles numériques urbains: scans 3D réalisés par un véhicule

Le projet ScanVan visait à démontrer que la caméra sphérique peut grandement faciliter la production de jeux de données photogrammétriques 3D, permettant ainsi de calculer des modèles 3D de villes au quotidien. Contrairement aux caméras conventionnelles dont le champ de vision est toujours limité, la caméra ScanVan est capable de percevoir dans toutes les directions de façon simultanée. Montée sur un petit véhicule, elle permet de numériser une ville en parcourant une seule fois chacune de ses rues. Pour produire le modèle 3D, les images sphériques consécutives sont automatiquement comparées. Les nombreux points communs visibles dans les deux images sont identifiés et leur position dans l'espace est calculée par triangulation. Les modèles sont ensuite densifiés, combinés et finalement replacés dans l'espace géographique afin d'être superposés à l'espace réel.

Une approche de scannage classique exige dans un premier temps de collecter un ensemble d'images capturées et de le soumettre à un pipeline de traitement afin de détecter les zones nécessitant davantage de détails ou de couverture. Cela implique donc un processus de numérisation itératif pour construire l'ensemble des données d'image jusqu'à ce que les objectifs de connectivité et de couverture soient atteints.

La méthode et la technologie développées dans ce projet offrent l'avantage de pouvoir transformer les stratégies expérimentales d'acquisition de photographies en campagnes de photographie prévisibles. L'utilisation d'une caméra centrale omnidirectionnelle simplifie considérablement la planification des stratégies de capture pour garantir la connectivité des images. Un balayage diachronique optimal peut donc être envisagé et devenir une étape opérationnelle fiable dans une plateforme de gestion urbaine.

Le développement des villes intelligentes et de l’urbanisme numérique n'est efficace que si l’on peut réaliser une détection physique continue de la ville elle-même. Une technologie de scannage sans défaillance constitue un élément de base des systèmes d'exploitation urbains et des «mondes miroirs» en 4D. Dans l'approche suivie par le projet ScanVan, le monde en 4D émergera comme une série de zones spatio-temporelles éparses qui seront progressivement connectées pour former un tissu plus dense de représentations. Les villes scannées en continu constitueront la structure centrale de ce squelette en 4D.

Dans le cadre du projet, les équipes de recherche ont conçu une caméra centrale omnidirectionnelle, un algorithme d'estimation de la géométrie agissant directement sur des images sphériques, ainsi qu’une technique de densification basée sur la géométrie estimée.

La caméra ScanVan a été conçue comme un miroir hyperbolique dont la forme a été mathématiquement calculée pour réfléchir les rayons lumineux provenant de toutes les directions vers deux capteurs haute résolution. La caméra se comporte donc comme une sphère qui perçoit son environnement. Tous les rayons convergent pratiquement vers son centre. Un procédé de fabrication utilisant le tournage au diamant a été utilisé pour concevoir le miroir central du dispositif. Le miroir double face est fabriqué d’un seul tenant en aluminium avec un revêtement supplémentaire. La qualité miroir obtenue est suffisamment élevée pour ne pas nécessiter de polissage.

La caméra a été montée sur un véhicule et testée dans la ville de Sion. Un algorithme d’estimation de la géométrie qui agit directement sur des images sphériques, ainsi qu’une technique de densification basée sur la géométrie estimée, ont été développés. La pertinence de ce dispositif pour la création de grands modèles 3D d'environnements urbains à partir d'une séquence d'images capturées en un seul passage sur une trajectoire a été testée expérimentalement, et des méthodes permettant de produire des campagnes de digitalisation sans défaillance ont été conçues et brevetées.

Pour explorer ce flux de nouvelles données, une interface de navigation Web a été développée. L'interface de navigation du projet permet de se déplacer de manière fluide entre les différentes échelles de représentations 3D et de voir les images sphériques acquises par le ScanVan. Dans la mesure du possible, elle inclut également la possibilité de revenir en arrière lorsque des modèles 3D plus anciens était disponibles. Il est donc possible de naviguer dans quatre dimensions.

Une approche du respect de la vie privée dès la conception a été suivie. Des algorithmes ont été programmés pour effacer, des images sphériques capturées, tous les aspects de la réalité permettant d'identifier des personnes ou des véhicules.
De plus, une interface d'annotation permet à quiconque de les signaler et de demander leur suppression, l'objectif étant de faire du monde 4D ainsi construit un espace public qui respecte la vie privée.

ScanVan - A distributed 3D digitalization platform for cities