Fusion multimodale pour la cartographie sous-marine

Depuis toujours, l’Homme explore. Que ce soit sur terre, dans l’air, au-delà de notre planète ou dans l’eau, il cherche continuellement à en apprendre plus sur ce qui l’entoure et veut étudier et comprendre ces nouveaux environnements. Depuis des années, l’eau qui représente plus de 72% de la surface du globe, nous fournit une grande quantité d’informations dans divers domaines. Encore aujourd’hui les biologistes découvrent régulièrement de nouvelles espèces ; des roboticiens s’inspirent des espèces sous-marines pour développer des structures bio-inspirées ; les archéologues trouvent des vestiges du passé nous permettant d’en apprendre plus sur notre histoire.

L’environnement sous-marin est un milieu très vaste et malgré tout ce que nous avons pu trouver, il reste encore très peu exploré. C’est pour cela que, depuis de nombreuses années, des inventeurs et des chercheurs créent de nouveaux moyens d’appréhender les éléments qui les entourent et fabriquent des véhicules, des robots mobiles autonomes, etc. L’archéologie sous-marine se heurte à de nombreux problèmes comme l’autonomie des plongeurs ou la longueur du temps d’exploration d’une grande zone de recherche. En effet, à l’heure actuelle, beaucoup de travaux de fouilles sont réalisés par des plongeurs et sont limités par les capacités du corps humain à rester sous l’eau. Dans ce contexte d’exploration sous-marine, nous venons utiliser les connaissances du monde de la robotique afin de réduire ces problèmes de temps de prospection.

La robotique a développé un champ spécifique pour le milieu sous-marin. Les contraintes fortes, liées à son environnement, augmentent les difficultés des problèmes pouvant être rencontrés en milieu terrestre. Le travail de ce mémoire se concentre sur la cartographie de sites archéologiques sous-marins et sur le potentiel d’une approche par fusion multimodale.

Détails des expérimentations

Nous avons réalisé plusieurs expérimentations en mer, en fleuves, en étang salé, en bassin et hors de l’eau. Le système de vision que nous avons utilisé est composé de deux appareils photos Nikon D7000 embarqués dans des caissons étanches à 40 mètres Ikelite. Le D7000 est équipé d’un capteur à 16.2 millions de pixels avec une grande plage de sensibilité (100 à 25600 ISO). Cette sensibilité très élevée permet d’obtenir de bonnes images avec de mauvaises conditions d’utilisation. Un mode vidéo permet de filmer en haute définition en 1080p à 24 images par seconde. Les deux caissons étanches sont reliés par des barres de carbone pour former la paire stéréoscopique. Une télécommande est utilisée pour permettre la prise de vue synchronisée entre les deux appareils. Cette paire stéréoscopique (fig. 2.1), assemblée par la société plongimage, permet de prendre deux photos d’une même scène dans deux positions différentes.

Lors de toutes nos expérimentations, nous avons immergé un ensemble d’objets de forme et de taille connues tels qu’une statue en forme de poisson, un buste de femme en morceaux et un autre entier, ainsi que deux mires de calibrage. Ces objets ont été numérisés en surface à l’aide d’un scanner 3D Minolta afin d’obtenir leurs modèles 3D. Ils permettent d’avoir une réalité terrain afin de vérifier la validité de notre méthode de reconstruction 3D.

Expérimentations en mer

Afin de créer une bibliothèque d’images sous-marines, nous avons réalisé les premières expérimentations en mer sur le site des Aresquiers proche de Sète. A chaque plongée, nous avons immergé les objets décrits précédemment et deux mires de calibrage. Deux plongées avec des conditions sous-marines différentes ont été réalisées sur ce site à 6-7 mètres de profondeur. Lors de la première (2.2(a)), la visibilité était de 2-3 mètres et la turbidité de l’eau était faible. La température de l’eau était d’environ 18°C et les conditions d’éclairage étaient bonnes. Lors de la deuxième plongée (2.2(b)), la visibilité était d’environ 1 mètre et la turbidité était plus importante. La température de l’eau avoisinait les 14°C et les conditions d’éclairage étaient moins bonnes. Ces expérimentations ont permis de créer une base de données d’images sous-marines obtenues dans différentes conditions.

M. Luc Long [Long et al., 2009] nous a permis de réaliser des prises de vue d’objets à intérêt archéologique lors d’une campagne en mer. Le site sur lequel nous avons pu travailler est proche des Saintes-Maries-de-la-Mer. Les objets observés se trouvaient à une vingtaine de mètres de profondeur. La température de l’eau était proche de 18°C et les conditions météorologiques étaient bonnes. Cela nous a permis d’obtenir des images sous-marines avec peu de turbidité et avec un éclairage correct.

Expérimentations en fleuve

D’autres expérimentations ont pu être réalisées sur le Rhône avec la même équipe d’archéologues sous-marins. L’équipe réalisait la prospection de péniches de l’époque romaine et de leurs cargaisons en Arles. Nous n’avons pas pu prendre de photos des objets retrouvés sur ce site mais nous avons immergé la statue du buste de femme. Les photos ont été prises aux environs de sept mètres de profondeur avec des conditions de prises de vues très difficiles, la visibilité n’était que de 40 cm. La turbidité était très importante et les conditions d’éclairage étaient mauvaises.

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela chatpfe.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Remerciements
Table des matières
I Contexte et problématique
1 Introduction
2 Conditions expérimentales
2.1 Détails des expérimentations
2.1.1 Expérimentations en mer
2.1.2 Expérimentations en fleuve
2.1.3 Expérimentations en étang salé
2.1.4 Expérimentations en bassin
2.2 La vision et le milieu sous-marin
II Vision et calibrage sous-marin
3 Principes fondamentaux en vision par ordinateur
3.1 Modélisation d’un système de vision
3.1.1 Transformation scène – caméra
3.1.2 Transformation caméra – image
3.1.3 Adaptation du modèle au milieu sous-marin
3.2 Géométrie épipolaire et stéréovision
4 Calibrage du système de vision
4.1 Méthodes de calibrage
4.1.1 Méthodes existantes
4.1.2 Discussions et choix de la méthode utilisée
4.2 Expérimentations et résultats
III Reconstruction 3D locale
5 La reconstruction 3D
5.1 Etat de l’art
5.1.1 Reconstruction à partir de la texture
5.1.2 Reconstruction à partir de jeux de lumière
5.1.3 Reconstruction à partir du mouvement
5.1.4 Reconstruction par géométrie épipolaire
5.2 Description de notre approche
6 Extraction et mise en correspondance de points caractéristiques
6.1 État de l’art
6.1.1 Détection des points caractéristiques
6.1.2 Mise en correspondance
6.1.3 Correction des appariements par géométrie épipolaire
6.2 Choix des méthodes utilisées
6.2.1 Harris & corrélation
6.2.2 SIFT
6.3 Expérimentations et résultats
6.4 Limitation de SIFT en environnement sous-marin
6.4.1 Filtrage des images sous-marines
6.4.2 Expérimentations dans différents milieux
6.4.3 Amélioration de la robustesse de SIFT
7 Création du modèle 3D
7.1 Projection des points dans l’espace 3D
7.1.1 Reconstruction à partir d’images stéréoscopiques
7.1.2 Reconstruction à partir d’une vidéo
7.2 Rendu du modèle 3D
7.2.1 Triangulation
7.2.2 Plaquage de la texture
IV Fusion des différentes cartes
8 Création de la carte acoustique 3D
8.1 Matériels acoustiques sous-marins
8.2 Expérimentations et résultats
9 Fusion de la carte acoustique globale et du modèle vidéo local
9.1 État de l’art
9.1.1 Fusion de données acoustiques et vidéo
9.1.2 Recalage de modèles géométriques 3D
9.2 Discussions et présentation de notre approche
9.3 Expérimentations et résultats
V Conclusions