Development of an Enhanced Aerial Photogrammetric Process for Precise 3D Model Reconstruction and validation by Volume Calculation

Imaginez que vous essayiez de construire la statue 3D parfaite de votre jouet préféré, mais que vous ne disposiez que d'un appareil photo plat, en deux dimensions. C'est le monde de la photogrammétrie, une branche de la science qui transforme des photos plates en modèles 3D. Voyez cela comme un puzzle numérique : si vous prenez suffisamment de photos d'un objet sous différents angles, un ordinateur peut comprendre la profondeur de l'objet, tout comme votre cerveau utilise vos deux yeux pour juger de la distance. Habituellement, les drones font cela automatiquement, en volant selon des trajectoires parfaites pour prendre des centaines de photos. Mais que se passe-t-il si le drone est fatigué, ou si la batterie tombe à plat, ou si l'ordinateur est submergé par trop de données ? C'est là que cette recherche intervient, en posant une question simple mais délicate : Avons-nous vraiment besoin de prendre un million de photos, ou pouvons-nous obtenir le même modèle 3D parfait en prenant moins de photos, mais de manière plus intelligente ?

Les chercheurs de cette étude voulaient trouver le « point idéal » pour la prise de photos. Ils cherchaient les angles de caméra parfaits qui donneraient un modèle 3D super précis sans gaspiller de temps ou d'espace de stockage. Ils ont testé différentes façons de regarder un objet — de haut, de côté, ou entre les deux — pour voir quelle combinaison créerait la meilleure copie numérique. Pourquoi est-ce important ? Parce que dans le monde réel, que vous mesuriez un tas de terre pour un chantier de construction ou que vous scanniez un bâtiment historique, obtenir le volume (l'espace qu'il occupe) exactement juste est crucial. Si votre calcul est erroné, vous pourriez commander trop de béton ou manquer un défaut structurel. Ce document tente de trouver la manière la plus efficace d'obtenir ce calcul exact.

La grande chasse aux angles de vue

L'équipe de Garuda Aerospace et plusieurs écoles d'ingénieurs en Inde ont décidé de jouer au jeu du « devine l'angle » pour voir comment construire le meilleur modèle 3D d'un objet simple : une boîte en papier. Ils n'ont pas seulement deviné, cependant ; ils ont mis en place une expérience très spécifique. Imaginez un cercle plat au sol, divisé en douze parts comme une pizza. Ils ont placé la boîte au centre et se sont tenus à chaque part pour prendre une photo.

Mais voici le twist : ils ne se sont pas contentés de rester là. Ils ont incliné leurs caméras pour regarder la boîte à quatre hauteurs de vue différentes : 30°, 45°, 60° et 90°.

• 90° consiste à regarder droit vers le bas, comme une vue aérienne.
• 0° (qu'ils ont également testé) consiste à regarder droit sur le côté, comme un humain debout à côté de l'objet.
• 30°, 45° et 60° sont les angles « obliques », regardant l'objet avec une inclinaison, comme un drone en vol stationnaire en diagonale.

Ils ont commencé avec un appareil photo de téléphone portable tenu à une hauteur constante de 5 pieds. Ils ont pris des photos de la boîte sous tous les angles, en prenant parfois un seul angle (comme uniquement 45°) et parfois en les mélangeant (comme en prenant des photos à la fois à 45° et à 60°). Après avoir pris les clichés, ils les ont injectés dans un programme informatique puissant appelé Agisoft Metashape. Ce logiciel agit comme un sculpteur numérique, assemblant les photos plates pour créer un modèle 3D, un « Modèle Numérique de Terrain » (une carte des hauteurs), et une carte aérienne plate et parfaite appelée « Orthomosaïque ».

Le test du volume : Le calcul était-il correct ?

Pour voir si leurs modèles numériques étaient réellement bons, ils ont dû jouer à un jeu de « comparer et vérifier ». Ils connaissaient la taille exacte de la boîte en papier car ils l'avaient mesurée avec une règle. La vraie boîte avait un volume de 0,00189 m³.

Ensuite, ils ont demandé à l'ordinateur de mesurer le volume des modèles 3D créés à partir des différents ensembles de photos. Ils ont utilisé un autre programme, QGIS, pour calculer le volume de la boîte numérique et l'ont comparé à la vraie. Si l'ordinateur disait que la boîte faisait 0,00189 m³, c'était parfait. Si l'ordinateur disait 0,00200 m³, ils étaient un peu à côté de la plaque.

Voici ce qu'ils ont découvert, et c'était assez surprenant :

• L'erreur « partout à la fois » : Lorsqu'ils ont essayé d'utiliser tous les angles qu'ils possédaient (0°, 30°, 45°, 60° et 90°) en même temps, l'ordinateur s'est emmêlé les pinceaux. L'erreur a bondi pour atteindre un énorme +82,5 %. Il s'avère que jeter trop de types de photos différents ensemble peut en fait dégrader le modèle, plutôt que de l'améliorer.
• Le problème de la « vue de dessus » : Prendre des photos uniquement à 90° (droit vers le bas) a donné un résultat décent, mais l'erreur était quand même de -3,70 %. Cela manquait certains détails latéraux.
• La difficulté de la « vue de côté » : Regarder uniquement à 0° (bien en face) a été un désastre pour le logiciel ; il n'a même pas pu faire correspondre les points correctement pour construire un modèle.
• La combinaison gagnante : La magie a opéré lorsqu'ils ont mélangé 45° et 60° en utilisant le téléphone portable. Cette combinaison spécifique d'angles inclinés a créé un modèle 3D incroyablement proche de la boîte réelle. L'ordinateur a calculé un volume de 0,00190 m³, ce qui n'était qu'à +0,53 % de la mesure réelle. Ce fut le résultat le plus précis de toute l'étude.

Ils ont également testé un mélange de 30°, 45° et 60°, qui était aussi bon, avec une erreur de +3,18 %, mais la paire 45° et 60° était la grande gagnante.

Du téléphone au drone : Le test en conditions réelles

Une fois qu'ils ont trouvé les meilleurs angles avec le téléphone, ils ont voulu vérifier si cela fonctionnait avec un vrai drone. Ils ont remplacé le téléphone par un drone de Garuda Aerospace et l'ont fait voler au-dessus de l'objet à une hauteur de 30 pieds. Ils ont utilisé les mêmes angles gagnants (45° et 60°) pour prendre les photos.

Le résultat ? La méthode du drone était également très précise, avec une erreur tombant à moins de 2,76 %. La capacité du drone à voler de manière fluide et à capturer des images avec chevauchement à partir de ces angles inclinés spécifiques a rendu le modèle 3D incroyablement précis. Les chercheurs ont noté que cette approche « non autonome » (où un humain guide le drone pour prendre des photos spécifiques plutôt que de laisser le drone suivre aveuglément un schéma préétabli) a permis de gagner du temps et de réduire la collecte de données inutiles.

L'essentiel à retenir

Cette étude suggère que vous n'avez pas besoin de prendre un million de photos ou de faire voler un drone selon une grille automatisée complexe pour obtenir un modèle 3D parfait. Au lieu de cela, en guidant manuellement une caméra (ou un drone) pour prendre des photos aux angles de 45° et 60°, vous pouvez créer un modèle 3D hautement précis.

Le document souligne que la combinaison 45° et 60° a produit la plus haute précision, atteignant une erreur de seulement +0,53 % lors du traitement des images du téléphone portable. Lorsque cette configuration d'angles optimisée a été appliquée à la photogrammétrie aérienne à l'aide d'un drone, elle a également produit des estimations de volume très précises, avec une erreur de moins de 2,76 %.

Le document conclut que ces angles inclinés spécifiques constituent la zone « Goldilocks » — ni trop raide, ni trop plat, mais juste ce qu'il faut. Ils fournissent suffisamment de détails sur le sommet et les côtés de l'objet pour aider l'ordinateur à construire une forme 3D solide et précise sans être confondu par trop de données supplémentaires. Que vous utilisiez un téléphone ou un drone, regarder votre objet sous ces deux angles spécifiques semble être le secret pour construire le meilleur jumeau numérique possible.