L’IMAGERIE NUMERIQUE

I - Introduction

   Depuis les années 60 et plus récemment par le rapide développement de l’informatique, le numérique est devenu un outil de travail indispensable des scientifiques, aussi bien dans la météorologie, la médecine et l’astronomie que dans l’architecture ou encore l’archéologie. Permettant le traitement de données complexes massives par une puissance de calcul inégalée, il permet un traitement de l’image qui dépasse largement les limites qu’imposait le système d’acquisition analogique.

    Afin d’expliquer les principes essentiels de l’imagerie numérique et afin de montrer sa puissance, nous prendrons pour axe de développement un exemple directe de son application dans les Sciences qui est la photographie aérienne.

    Nous suivrons en effet l’élaboration d’un MNT ( Modèle Numérique de Terrain ) qui permet la reproduction en trois dimensions d’un terrain à partir simplement de deux photographies aériennes de ce dernier. Pour cela nous commencerons par étudier le fonctionnement de la photographie numérique qui permet l’acquisition de ces deux clichés, le principe de la photogrammétrie qui permet leur interprétation et enfin l’image de synthèse liée à la création du MNT.

II - La photographie numérique du terrain

1) Le système d’acquisition

    Le satellite destiné à l’acquisition de l’image numérique est équipé d’un radiomètre, appareil mesurant l’énergie des rayonnements. Ce radiomètre est constitué d’une grille de détecteurs de type CCD (Charge-Coupled Device, capteur à transfert de charge en français), grâce auxquels le rayonnement du terrain va être perçu, selon un fonctionnement identique à celui d’un appareil photo numérique.

    Les capteurs CCD sont des composants microélectroniques sensibles qui convertissent l’intensité lumineuse (signal analogique) en un signal électrique. Pour ce faire, le capteur CCD emmagasine les particules de lumière, les photons, dans un corps de silicium. Ce dernier a pour propriété de libérer des électrons lors de l’absorption de photons. Le détecteur relié à un contact électrique transmet donc une charge électrique plus au moins élevée selon la lumière perçue. Cette charge est convertie par un convertisseur Analogique/Numérique en un signal numérique codé en binaire (détails).

    Dans le cas d’une image en couleur, chaque détecteur est composé de trois capteurs CCD qui perçoivent chacun l’intensité lumineuse des trois couleurs de base : rouge, vert et bleu. Par superposition des trois couleurs de base, on obtient une couleur précise.

    Le signal numérique va ensuite pouvoir être interprété pour obtenir une image.

2) L’obtention de l’image numérique

    Le radiomètre constitué d’une grille de détecteurs CCD va donc émettre une suite de nombres binaires de 8 chiffres chacun qui correspondent à l’intensité lumineuse perçue par chaque capteur CCD de la grille. Chaque nombre, ou octet, correspond dans le cas d’une photographie noir et blanc à un niveau de gris. Ainsi, l’octet 11111111 correspondra au blanc de valeur décimale 255, et l’octet 00000000 au noir de valeur décimale 0. Dans le cas d’une photo couleurs, trois octets sont émis par un détecteur CCD pour chaque couleur de base : vert, rouge, et bleu. Ainsi nous obtenons 2553 = 16 581 375 de couleurs.

    La formation de l’image est alors possible. L’image numérique est également une grille, une matrice composée de lignes et de colonnes. Chaque carreau est nommé pixel (picture element). Chaque pixel contient son " compte numérique " déterminant sa couleur qui n’est autre que le nombre binaire issu de chaque détecteur CCD, et ses coordonnées en x et y. Les pixels réunis, on obtient une image identique à celle photographiée par le satellite. Une image de 20x10 cm, ou de 8 pouces sur 4, et d’une résolution (nombre de pixels par pouce) de 300 dpi sera ainsi formée de presque 3 millions de pixels (2400x1200).

III - La photogrammétrie

1) Principe

    La photogrammétrie est une technique de mesure qui se propose d’étudier les dimensions dans l’espace d’un objet quelconque, en utilisant essentiellement des mesures faites sur une ou plusieurs photographies de cet objet.

    Ici, les deux clichés numériques pris par le satellite selon des angles différents vont permettre de restituer la troisième dimension (l’altitude) et donc de connaître la topographie du terrain.

2) Explications

Les deux photographies sont prises à partir d’une chambre métrique dont les dimensions sont connues. Ainsi quatre points de la chambre métrique visibles sur la photographie servent de repères.

    En admettant que chaque photographie forme un plan p, la perspective est formée par l’ensemble des rayons du faisceau perspectif qui partent de chaque point de la surface S du terrain et convergent vers le point de vue S. Ce faisceau perspectif est défini par :

    Si l’on connaît deux faisceaux, F1 et F2, relatifs à deux points de vue différents S1 et S2 d’où l’on a pris les deux clichés liés aux plans p1 et p2, la surface du terrain peut se définir comme le lieu géométrique des points d’intersection M de tous les couples de rayons homologues m1S1M et m2S2M.

    Par un calcul complexe de rotation dans l’espace rendu vite résolvable par le numérique et la puissance actuelle des ordinateurs, on connaît ainsi l’altitude et la position exact dans l’espace de chaque point du terrain grâce aux repères de la chambre métrique et aux coordonnées de quelques points du terrain précédemment relevées.

IV - Le MNT

1) Principe

    Le MNT (Modèle Numérique de Terrain) est une représentation en 3 dimensions de la topographie d’un terrain faite à partir de deux photographies prises sous un angle différent, ce qui permet l’étude de terrains impraticables comme les zones de montagnes ou encore les zones désertiques.

2) Maillage

    Les données numériques d’altitude issues du calcul photogrammétrique vont être stockées dans le MNT. L’espace est divisé en cellules carrées appelées pixels qui portent la valeur de l’altitude des portions de terrain qu’ils représentent : c’est le maillage (dessin de droite).

3) Création de l’image de synthèse

    À partir de ce modèle géométrique, un programme de visualisation va calculer (pixel par pixel) l’image de la scène. La photographie numérique du terrain initialement réalisée va pouvoir être appliqué en texture, c’est-à-dire former une couche enveloppant le maillage généré. L’image de synthèse est terminée.

V - Conclusion

    En partant de deux photographies du terrain, le numérique par sa puissance nous a permis de générer sa représentation en image de synthèse. Un procédé qui a rendu possible des études auparavant inconcevables comme l’étude du sol lunaire par des satellites artificiels.

    L’imagerie numérique constitue donc une révolution dans le domaine des Sciences et son intérêt ne cesse de croître avec des systèmes informatiques chaque jour plus performants. Plus qu’une vision plane d’un environnement, l’image numérique devient une base de donnée interactive d’une richesse croissante qui mêlée à la puissance des supercalculateurs permet une précision d’analyse de notre environnement déjà indispensable et destinée à un très bel avenir.

 LEXIQUE

Topographie : représentation des formes d'un terrain sur un plan
MNT : Modèle Numérique de Terrain
Radiomètre : appareil mesurant l'énergie des rayonnements
CCD : Charge-Coupled Device, capteur à transfert de charge en français
Photon : quantité d'énergie élémentaire d'une onde électromagnétique
Binaire : système de mesure à deux éléments, 0 et 1
Pixel : ("picture element") surface élémentaire constitutive d'une image pouvant être transmise sur un écran
Résolution : nombre de pixels par pouce (2,54 cm)

BIBLIOGRAPHIE

- La photographie aérienne et spatiale, Henry Bakis et Muriel Bonin, éditions Que sais-je ?

- Photographie Numérique, éditions MicroApplication

- Encyclopédie Universalis

- MNT et orthophotos, site de l’université St Etienne