En janvier 2007, le Groupe de technologie de l’information visuelle (TIV) de l’Institut de technologie de l’information du Conseil national de recherches du Canada (ITI-CNRC) d’Ottawa (Canada), le YSMA (Service de restauration des monuments de l’Acropole) et l’EPFZ (École polytechnique fédérale de Zurich) ont travaillé de concert dans le cadre du projet Development of Geographic Information Systems at the Acropolis of Athens (élaboration de systèmes d’information géographique à l’Acropole d’Athènes).

L’objectif du projet était d’élaborer un système d’information géographique (SIG) ainsi que les bases de données connexes requises pour la documentation, la gestion de la restauration, et la présentation des monuments ainsi que des murs et du paysage environnants, en débutant par l’Érechthéion, temple religieux et seul monument restauré de l’Acropole (figure 1). L’Érechthéion est constitué de plusieurs sections et compartiments différents. L’ensemble de la structure, dont la construction a été achevée en 406 av. J.-C., est presque entièrement en marbre et elle demeure impressionnante malgré le fait qu’il s’agit uniquement d’un vestige et que la plupart de ses œuvres d’art et de ses décorations sont disparues. L’Érechthéion est une grande structure complexe (approximativement 20 m x 10 m x 5 m) posant bon nombre de difficultés en ce qui concerne l’acquisition de données 3D, le traitement de l’apparence (couleur) et la visualisation interactive.

Figure 1 : L’Érechthéion aujourd’hui (fin 2007 ère commune (ÈC) )
Crédit photo: Daniel Gamache (ITI-CNRC)
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Difficultés

Apparence réaliste

Le photoréalisme, que l’on définit comme l’absence de différence entre le modèle présenté et une photographie prise du même point de vue, exige beaucoup plus que le simple drapage d’une image fixe sur une géométrie donnée. Par exemple, les photographies doivent recevoir un traitement pour un éclairage variable, avant leur placage sur le modèle tridimensionnel.

Visualisation interactive

La capacité d’interaction avec des modèles tridimensionnels est un problème constant, car la demande de modèles détaillés augmente à un rythme supérieur à celui des avancées dans le domaine du matériel informatique. L’algorithme de rendu doit pouvoir générer des images en temps réel à une fréquence d’au moins 20 images par seconde, même avec une résolution intégrale de la géométrie et de la texture. La plate-forme Atelier3D.ca, créée par des chercheurs du CNRC, est un logiciel permettant d’afficher en temps réel des modèles de résolutions multiples, qui a été utilisé dans le cadre du projet Érechthéion. Quand le modèle 3D est visualisé en vue rapprochée, la résolution intégrale est affichée. De fait, la résolution du modèle tridimensionnel diminue à mesure que le modèle s’éloigne de l’observateur. L’algorithme est fondé sur la méthode GoLD (pour Geomorphing of Levels of Detail) ou la résolution à l’affichage dépend du point de vue.

Le projet a exigé la création d’un modèle tridimensionnel précis et très détaillé de l’Érechthéion. La résolution et la qualité visuelle du modèle généré doivent idéalement correspondre à ce que le regard humain perçoit lors d’une visite sur les lieux, surtout à courte distance. La visualisation interactive du modèle tridimensionnel doit pouvoir être exécutée à partir d’un poste de travail de type courant.

Figure 2 : Image d’intensité panoramique du portique des cariatides obtenue à partir d’un scanneur laser hémisphérique
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Approche

L’approche proposée faisait appel à une combinaison de technologies.

1. Scanneur laser haute précision pour distances moyennes, pour la plupart des sections (séparation latérale des données comprise entre 1 et 5 mm).
2. Scanneur laser pour longues distances (utilisé pour les sections élevées, hors de la portée du premier appareil).
3. Méthodes basées sur la photogrammétrie où les images 3D denses permettront de combler les vides dans les zones difficiles d’accès (travaux en cours).
4. Images prises depuis une montgolfière pour modéliser le paysage et les sections supérieures impossibles à capter à l’aide des techniques ci-dessus.
5. Élaboration d’un ensemble d’outils (compatible avec le logiciel Modeler^MC d’InnovMetric) afin de simplifier ou d’automatiser entièrement un grands nombres de tâches fastidieuses nécessaires dans le cadre de la procédure courante (p. ex., enregistrement des données des multiples scanneurs, traitement des photographies avant le placage de la texture, enregistrement précis des images texturées avec le modèle géométrique et visualisation interactive du modèle 3D à résolution intégrale).
6. Étude des effets des propriétés des matériaux sur la qualité des données d’image 3D.

L’évaluation de la précision, l’automatisation complète des étapes du traitement et la visualisation interactive de grands modèles (plus de >1 G points) sont des domaines dans lesquels le groupe de TIV de l’ITI-CNRC mène activement des recherches.

(De gauche à droite) Michel Picard et Luc Cournoyer de l’ITI-CNRC tout près d’un scanneur laser de moyenne portée.
Crédit photo: Daniel Gamache (ITI-CNRC)
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Résultats

Premier modèle

La première phase du projet visait la création d’un modèle de faible résolution (10 millions de polygones, espacement latéral de 15 mm et plus sur les surfaces planes) complet et pouvant être visualisé de manière interactive sur un ordinateur PC puissant. L’objectif est de s’assurer que l’ensemble du monument a été couvert et que les données peuvent être traitées et intégrées avec succès. La figure 3 montre les résultats de la première étape.

Figure 3 : Deux instantanés du modèle 3D comprimé utilisant un ombrage synthétique.
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Modèle de l’Érechthéion de résolution intégrale

Les travaux sur le modèle de résolution intégrale ont été achevés au printemps 2009. Les algorithmes efficaces élaborés et mis à l’essai dans Atelier3D.ca ont été utilisés pour traiter le grand ensemble de données 3D.

Figure 4 : Modèle haute résolution d’une cariatide : l’image de gauche représente une vue du nuage de points et l’image de droite montre le modèle 3D représenté avec un ombrage synthétique.
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La majeure partie de la structure (sauf les cariatides, voir la figure 4) est en marbre. Le marbre est constitué de cristaux translucides, matériau qui rend difficile la mesure précise de surfaces avec l’utilisation des scanneurs laser. Le groupe de TIV de l’ITI-CNRC élabore actuellement une solution au problème du balayage laser des surfaces en marbre, avec la collaboration du fabricant du scanneur laser tridimensionnel.

Le modèle final contient environ 350 millions de polygones entièrement texturés. Des algorithmes efficaces ont été créés pour accélérer et rationaliser le traitement. Les figures 5 a et 5 b montrent quelques résultats de cette étape. On a aussi appliqué la couleur à l’ensemble du monument (voir la figure 6).

a)
b)

Figure 5 : Le modèle 3D de l’Érechthéion, une vue du portique des cariatides : a) information 3D avec application sur le modèle des variations d’intensité du laser au retour, b) image 3D avec ombrage synthétique pour améliorer le découpage des surfaces.
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Figure 6 : Érechthéion, portique des cariatides : vue du modèle à résolution intégrale avec 350 millions de polygones et texture couleur.
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De plus, une capsule vidéo de grande qualité contenant une animation informative de l’Érechthéion a été produite.

Collaboration dans le cadre du projet

Les travaux futurs supplémentaires comprennent l’intégration, par nos collaborateurs, des données 3D des paysages et des modèles des sections manquantes de la face supérieure du monument, obtenues grâce aux images prises depuis une montgolfière. De plus, lorsqu’il disposera de toutes les données, le YSMA travaillera à l’application de la texture et de l’éclairage sur le modèle complet pour représenter différentes heures de la journée et différentes saisons.

L’Érechthéion dans le contexte du projet de recherche sur la métrologie par imagerie 3D

Les principaux objectifs du projet de recherche sur la métrologie par imagerie 3D et modélisation de l’ITI-CNRC sont d’exécuter une métrologie traçable par imagerie 3D qui mènera à l’établissement de normes et qui permettra d’élargir l’utilisation des technologies d’imagerie 3D et de modélisation. Ce projet de recherche comprend des travaux menés au laboratoire de métrologie, et différents sous-projets et activités réalisés de concert avec deux instituts du CNRC, des collaborateurs de l’industrie et des partenaires extérieurs étrangers. Avec le laboratoire de métrologie, le CNRC peut présenter certains résultats de manière contrôlée sur des systèmes 3D réels, comme un appareil de poursuite laser, un système de stéréocorrespondance dense, trois scanneurs laser par triangulation ainsi qu’un dispositif à temps de vol. Pour les travaux effectués sur place (près de l’Érechthéion), l’ITI-CNRC a élaboré et élabore encore des techniques de vérification des données et de correction des erreurs causées par les systèmes d’imagerie 3D et les algorithmes de traitement.

Remerciements

Ce projet est financé par l’UE et le gouvernement grec et est supervisé par le Service de restauration des monuments de l’Acropole (YSMA), qui relève du ministère de la Culture grec. Nos partenaires comprennent Elliniki Photogrammetriki Ltée (Elpho), la Ville d’Athènes, l’École polytechnique fédérale de Zurich (EPFZ) et Geotech O.E. d’Athènes. Leica Geosystems (Suisse) et Basis Software Inc. (États-Unis) ont fourni les scanneurs laser. Un remerciement tout particulier à Innovmetric Logiciel pour son aide lors des travaux effectués sur l’Érechthéion.

Perspectives

L’ITI-CNRC a concentré ses efforts de recherche et développement en matière de technologies 3D dans quelques domaines clés, dont celui du patrimoine culturel. Au cours des dernières années, les capteurs et les algorithmes utilisés pour l’imagerie 3D et la modélisation d’objets, de structures et de lieux réels ont reçu beaucoup d’attention, non seulement à cause de leur importance dans un certain nombre de domaines de recherches, mais aussi à titre d’outils importants pour tout un éventail d’utilisations commerciales.

La capacité de créer efficacement une représentation numérique précise de la forme et de l’apparence d’un objet existant est une technologie habilitante clé pour de nombreux domaines, notamment : l’automobile, la médecine, la fabrication, la criminalistique, la construction et l’exploration spatiale.

Nombre des technologies mises au point par le CNRC ont été adaptées à des utilisations commerciales. C’est notamment le cas du scanneur laser utilisé pour l’inspection de la navette spatiale.

Publications pertinentes

Moullou, D.; Mavromati, D.; Tsingas, V.; Liapakis, C.; Grammatikopoulos, L.; Raikos, S.; Sarris, A.; Baltsavias, E.; Remondino, F.; Beraldin, J.-A.; El-Hakim, S.; Cournoyer L.; Picard, M., Recording, modeling, visualisation and GIS applications development for the Acropolis of Athens International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXVII, part B5-2, pp.1073-1076. 2008.

Beraldin, J.-A.; Picard, M.; El Hakim, S.; Godin, G.; Paquet, E.; Peters, S.; Rioux, M; Valzano, V.; Bandiera, A., Virtual Heritage: The cases of the Byzantine Crypt of Santa Cristina and Temple C of Selinunte. 2004. NRC 47406

Beraldin, J.-A.; Picard, M.; El-Hakim, S.; Godin, G.; Borgeat, L.; Blais, F.; Paquet, E.; Rioux, M.; Valzano, V.; Bandiera, A., Virtual Reconstruction of Heritage Sites: Opportunities and Challenges Created by 3D Technologies. 2005. NRC 48100

Blais, F., Review of 20 Years of Range Sensor Development 2004. NRC 46531

Godin, G.; Beraldin, J.-A.; Rioux, M.; Levoy, M.; Cournoyer, L., An Assessment of Laser Range Measurement of Marble Surfaces. 2001. NRC 44210

Beraldin, J.-A.; Blais, F.; Cournoyer, L.; Picard, M.; Gamache, D.; Valzano, V.; Bandiera, A.; Gorgoglione, M., Multi-Resolution Digital 3D Imaging System Applied to the Recording of Grotto Sites: the Case of the Grotta dei Cervi. 2006. NRC 48791.

El-Hakim, S.; Beraldin, J.-A.; Picard, M.; Cournoyer, L., Surface reconstruction of large complex structures from mixed range data – the Erechtheion experience, The XXI Congress of the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS 2008). Beijing, China. July 3-11, 2008. NRC 50702

Borgeat, L.; Godin, G.; Massicotte, P.; Poirier, G.; Blais, F.; Beraldin, J.-A., "Visualizing and Analyzing The Mona Lisa", IEEE Computer Graphics and Applications. 2007. NRC 49834

Borgeat, L.; Poirier, G.; Taylor, J.; Blais, F.; Cournoyer, L.; Picard, M.; Godin, G.; Beraldin, J.-A.; Lahanier, C.; Rioux, M., Mona Lisa: A Montage of Scientific Images [CONFERENCE PUBLICATION] Conference: Science and Engineering Visualization Challenge, Second place in the Informational Graphics Category, Science, September 22, 2006. 2006, Pages: 1730-1735. NRC 48801

Blais, F.; Cournoyer, L.; Beraldin, J.-A.; Picard, M., 3D Imaging from Theory to Practice: The Mona Lisa Story, 2008. NRC 50400

Personne-ressource – Recherches

Jean-Angelo Beraldin (Angelo)
Agent de recherches
Technologie de l’information visuelle
Institut de technologie de l’information du CNRC
1200, chemin Montréal
Bâtiment M-50, pièce 352
Ottawa (Ontario) K1A 0R6
Téléphone : 613-990-6871
Télécopieur : 613-952-0215
Courriel : Jean-Angelo.Beraldin@nrc-cnrc.gc.ca

Personne-ressource – Affaires

Shawn Peters
Agent de développement commercial
Bureau de développement commercial
Institut de technologie de l’information du CNRC
Bâtiment M-50, pièce 205
Ottawa (Ontario) K1A 0R6
Téléphone : 613-991-1146
Télécopieur : 613-952-0215
Courriel : Shawn.Peters@nrc-cnrc.gc.ca