LiDAR ou photogrammétrie – quelles données pour l’annotation 3D

Deux méthodes produisent des nuages de points et elles ne produisent pas la même donnée. Le choix entre elles précède le projet d’annotation et il détermine ce que ce projet pourra établir.Cet article expose les critères d’arbitrage. Il prolonge l’article consacré à l’annotation 3D pour la robotique et la logistique.

Deux principes de mesure

Deux approches alimentent un projet d’annotation 3D.Elles produisent des coordonnées dont la nature diffère profondément.Le LiDAR mesure une distance en chronométrant un signal, chaque point résultant d’une mesure directe.La photogrammétrie déduit une position en comparant plusieurs images, chaque point résultant d’un calcul.Une conséquence pratique importante en découle. La première méthode produit une mesure et la seconde une estimation, distinction qui gouverne tout ce que ce chapitre expose sur l’annotation 3D.

Ce que le LiDAR apporte

Cinq propriétés caractérisent cette source de données.La précision métrique, une distance mesurée directement et non déduite.L’indépendance à l’éclairement, le capteur émettant son propre signal.La portée, qui atteint des distances qu’aucune reconstruction par images ne couvre.L’intensité du retour, information supplémentaire qui distingue des matériaux à géométrie identique.Et la sparsité contrôlée, un nuage régulier et prévisible plutôt qu’inégal.Une observation en découle. La deuxième propriété explique l’adoption de cette source dans les contextes extérieurs, une acquisition nocturne ou en éclairage variable restant exploitable là qu’une reconstruction par images échoue.

Ce que la photogrammétrie apporte

Cinq propriétés caractérisent cette seconde source.La densité, très supérieure sur les surfaces texturées et bien éclairées.La couleur native, chaque point portant l’information de l’image dont il provient.Le coût d’acquisition, un appareil photographique restant sans commune mesure avec un capteur de distance.La souplesse, une acquisition se conduisant avec un matériel courant et un opérateur formé rapidement.Et l’accès rétrospectif, un jeu d’images anciennes pouvant être reconstruit alors qu’une mesure non faite est perdue.Une conséquence pratique s’ensuit pour un projet d’annotation 3D. La deuxième propriété change le travail d’annotation, la couleur résolvant une part des ambiguïtés de classe que la géométrie seule laisse ouvertes.

Ce que la photogrammétrie ne peut pas faire

Quatre limites bornent cette méthode en annotation 3D.Elles sont structurelles.Les surfaces sans texture ne se reconstruisent pas, un mur uni ou un ciel ne fournissant aucun point d’appariement.Les surfaces réfléchissantes produisent des points erronés, l’apparence changeant avec le point de vue.L’échelle absolue n’est pas donnée, une reconstruction étant définie à un facteur près sans référence externe.Et la précision décroît fortement avec la distance, l’écart entre points de vue devenant insuffisant.Une observation importante en découle. La troisième limite est la plus lourde de conséquences pour un corpus d’annotation 3D, une mesure de dimension n’ayant aucun sens sans un élément de référence introduit dans la scène.

Ce que le LiDAR ne peut pas faire

Quatre limites bornent cette méthode également.La densité reste inférieure sur les objets proches, un capteur balayant selon un motif fixe plutôt que selon le contenu.La couleur est absente, sauf appariement avec une caméra qui introduit une exigence de calibration.Le vitrage et l’eau produisent des retours aberrants ou aucun retour.Et le coût du matériel reste un frein pour des acquisitions ponctuelles ou dispersées.Une conséquence pratique s’ensuit. La deuxième limite explique la fréquence des montages mixtes, l’apport de la couleur étant suffisamment déterminant pour justifier la contrainte de calibration.

Ce que chaque méthode change à l’annotation

Quatre différences se manifestent au moment même du travail d’annotation 3D.La décision de classe est plus rapide sur un nuage coloré, la texture levant des ambiguïtés que la forme laisse ouvertes.La délimitation est plus fiable sur un nuage mesuré, la position d’un point n’étant pas entachée d’une erreur de reconstruction.Les artefacts diffèrent, points aberrants isolés pour l’un et surfaces bruitées ou manquantes pour l’autre.Et le contrôle dimensionnel n’est possible qu’avec une échelle établie, ce qui exclut une photogrammétrie non référencée.Une observation importante en découle. La dernière différence prive un corpus photogrammétrique non référencé du contrôle le plus puissant de l’annotation 3D, ce qui doit être vérifié avant d’accepter un tel jeu de données.

Le montage mixte

Cette configuration combine les deux sources en annotation 3D.Elle est fréquente.Un capteur de distance calibré avec une caméra produit un nuage mesuré et coloré.Trois apports en découlent en annotation 3D.La précision géométrique du premier s’ajoute à la richesse sémantique du second.La classification devient rapide sans perdre la fiabilité dimensionnelle.Et la vérification est facilitée, un contrôleur retrouvant en image ce qu’il ne distingue pas dans les points.Trois exigences accompagnent ce montage en annotation 3D.La calibration entre capteurs doit être établie et documentée.La synchronisation temporelle devient critique dès que la scène ou le porteur bouge.Et le format de livraison doit conserver les paramètres permettant la projection.

Établir une échelle en photogrammétrie

Une opération lève la principale limite de cette méthode et elle se prépare avant l’acquisition.Trois approches établissent une échelle absolue en photogrammétrie.La mire de dimensions connues placée dans la scène, méthode simple qui suppose une préparation sur site.Les points de contrôle relevés par un moyen externe, plus lourde et plus précise.Et les données de position du porteur, praticable en drone lorsque la précision de positionnement le permet.Une conséquence pratique importante en découle pour un projet d’annotation 3D. Ces trois approches se décident avant la sortie et ne se rattrapent pas, une reconstruction sans référence ne pouvant être mise à l’échelle rétrospectivement qu’en retournant sur le site.

Ce que le porteur change

Quatre configurations d’acquisition se rencontrent.Elles orientent le choix de la source.Le relevé statique sur trépied, qui autorise les deux méthodes et produit la meilleure précision.Le porteur mobile terrestre, véhicule ou chariot, où le LiDAR domine par sa robustesse à l’éclairement.Le drone, où le poids et l’autonomie ont longtemps favorisé la photogrammétrie avant que les capteurs légers ne se répandent.Et le dispositif portatif, où la souplesse d’un appareil photographique reste un avantage décisif.Une conséquence pratique en découle pour un projet d’annotation 3D. Le premier cas autorise un arbitrage libre et il est le plus rare, les trois autres contraignant le choix par des considérations logistiques plutôt que par la qualité de la donnée recherchée.

Les contextes qui tranchent

Cinq situations imposent une méthode plutôt que l’autre.L’acquisition nocturne ou en éclairage variable, qui exclut la photogrammétrie.Les surfaces uniformes sans texture, qui l’excluent également.La mesure dimensionnelle contractuelle, qui exige une échelle établie.La reconstruction rétrospective à partir d’images existantes, qui exclut le LiDAR.Et le budget d’acquisition contraint sur des sites nombreux et dispersés, qui le rend souvent inaccessible.Une observation en découle. Ces cinq situations tranchent sans arbitrage, ce qui rend la question du contexte plus déterminante que la comparaison des mérites respectifs des deux méthodes.

Ce que cela change au coût du projet

Quatre effets se manifestent sur la charge de travail d’annotation 3D.La densité photogrammétrique allonge le temps de traitement sans améliorer la décision.La couleur réduit fortement le temps passé sur les classes ambiguës.Les zones sans reconstruction créent des vides qui appellent une convention et ralentissent le travail.Et l’absence d’échelle supprime les contrôles automatiques, ce qui déplace la charge vers la vérification humaine.Une conséquence pratique importante en découle. Ces quatre effets se compensent partiellement, une source photogrammétrique n’étant ni plus coûteuse ni moins coûteuse à annoter par principe, ce qui rend le lot pilote indispensable pour trancher.

Comment vérifier une donnée reçue

Cinq vérifications s’imposent avant d’accepter un jeu de données pour l’annotation 3D.L’origine de la donnée, mesure ou reconstruction, information qui n’est pas toujours fournie.La présence d’une échelle établie et de son mode d’établissement.La présence de l’intensité ou de la couleur, qui conditionne certaines nomenclatures.La densité effective sur les objets d’intérêt plutôt que la densité moyenne annoncée.Et l’étendue des zones sans donnée, qui borne la part exploitable de chaque scène.Une observation importante en découle pour un projet d’annotation 3D. La quatrième vérification produit fréquemment une surprise, une densité moyenne flatteuse pouvant masquer une densité insuffisante là où se trouvent précisément les objets à annoter.

Aborder ce choix dans un projet

Cinq questions cadrent cet arbitrage en annotation 3D.Une mesure dimensionnelle est-elle attendue. Une réponse positive exige une échelle établie.Les conditions d’éclairement sont-elles maîtrisées. Une réponse négative écarte la photogrammétrie.La nomenclature distingue-t-elle des matériaux. Cette réponse appelle la couleur ou l’intensité.Quelle distance doit être couverte. Cette réponse borne ce que chaque méthode permet.Et la donnée existe-t-elle déjà. Une réponse positive rend l’arbitrage sans objet.Ces cinq réponses déterminent la source appropriée. Les poser avant l’acquisition évite un corpus dont la nature interdit ce que le projet attendait d’établir.

Ce que ce chapitre enseigne

Une observation transversale mérite de clore cet examen.Les deux méthodes produisent des objets de nature différente sous une apparence identique.Trois constats la composent en annotation 3D.Un nuage mesuré et un nuage reconstruit se ressemblent à l’écran et n’autorisent pas les mêmes affirmations.L’absence d’échelle absolue prive un corpus du contrôle dimensionnel, avantage principal de l’annotation 3D sur l’annotation d’images.Et la couleur native accélère la décision de classe autant que la mesure fiabilise la délimitation.Ce constat rejoint celui que les séries précédentes ont établi à propos des sources de données : la question n’est pas laquelle est meilleure mais laquelle porte l’information que le projet doit établir.

Les erreurs les plus fréquentes

• Traiter un nuage reconstruit comme un nuage mesuré.
• Accepter une photogrammétrie sans échelle pour un projet de mesure.
• Retenir la photogrammétrie sur des surfaces sans texture.
• Négliger la calibration dans un montage mixte.
• Comparer des corpus produits par deux méthodes différentes.
• Se fier à la densité moyenne annoncée plutôt qu’à la densité sur les objets.
• Ignorer les zones sans reconstruction dans le chiffrage.
• Fixer une nomenclature de matériaux sans couleur ni intensité.
• Supposer qu’une source dense est une source précise.
• Choisir la méthode après l’acquisition plutôt qu’avant.

Les artefacts propres à chaque source

Quatre défauts caractéristiques permettent d’identifier l’origine d’un nuage sans documentation.Les points isolés loin de toute surface signalent un LiDAR ayant rencontré de la poussière, de la pluie ou une réflexion.Les surfaces bombées ou ondulées là où une planéité est attendue signalent une reconstruction par images imparfaitement contrainte.Les trous nets aux contours réguliers correspondent à des zones sans texture en photogrammétrie.Et les traînées de points suivant une ligne de balayage trahissent un capteur mobile mal compensé.Une observation en découle pour un projet d’annotation 3D. Ces quatre signatures se reconnaissent en quelques minutes d’examen, elles renseignent sur la source lorsque la documentation manque, et elles permettent d’anticiper les difficultés que le corpus posera.

Les verticaux et leur source dominante

Cinq domaines présentent une préférence marquée et elle s’explique par le contexte plutôt que par la mode.La conduite autonome retient le LiDAR, l’exigence de portée et l’indépendance à l’éclairement étant dirimantes.Le patrimoine et l’archéologie retiennent souvent la photogrammétrie, la couleur et la texture faisant partie du livrable.Le bâtiment retient le LiDAR statique, la précision dimensionnelle conditionnant l’usage en maquette numérique.L’agriculture et la forêt emploient les deux, le choix dépendant de la présence de couvert et de la portée nécessaire.Et l’inspection industrielle retient la photogrammétrie sur petites pièces, la densité obtenue dépassant celle d’un capteur de distance.Une observation en découle pour un prestataire d’annotation 3D. Ces préférences déterminent les artefacts que les corpus d’un vertical présenteront, ce qui rend l’expérience acquise sur un domaine partiellement transposable à un autre partageant la même source.

Ce que les conventions doivent prévoir selon la source

Quatre règles diffèrent selon l’origine de la donnée et elles ne se transposent pas.Le seuil de densité minimale, exprimable en nombre de points sur un LiDAR régulier et beaucoup moins stable sur une reconstruction inégale.Le traitement des points aberrants, isolés et faciles à écarter d’un côté, intégrés à des surfaces bruitées de l’autre.La conduite à tenir sur les zones sans donnée, occlusion franche pour l’un et absence de texture pour l’autre.Et la tolérance dimensionnelle, exprimable en valeur absolue sur une mesure et seulement en proportion sur une estimation.Une conséquence pratique importante en découle. La dernière règle explique pourquoi un référentiel d’annotation 3D écrit pour une source ne s’applique pas telle quelle à l’autre, transposition qui paraît anodine et produit des exigences intenables.

Combiner deux corpus de sources différentes

Une question se pose lorsqu’un client dispose de jeux issus des deux méthodes.Quatre écarts empêchent une combinaison directe en annotation 3D.La distribution de densité diffère, ce qui produit un déséquilibre entre les deux parties du corpus.Les artefacts diffèrent, un système entraîné sur l’un rencontrant sur l’autre des défauts qu’il n’a jamais vus.La présence ou l’absence de couleur rend une part des exemples incomplète.Et la précision dimensionnelle n’est pas du même ordre, ce qui brouille toute exigence exprimée en valeur absolue.Une observation importante en découle pour un projet d’annotation 3D. Ces quatre écarts n’interdisent pas la combinaison et ils imposent de conserver la source comme métadonnée, seul moyen d’évaluer séparément les performances et d’éviter qu’une faiblesse sur une source soit masquée par la moyenne.

Le lot pilote qui tranche

Une méthode départage les deux sources lorsque le contexte ne l’impose pas.Le principe consiste à acquérir la même scène par les deux méthodes et à faire annoter les deux nuages.Quatre mesures exploitables en découlent.La cadence observée sur chaque source, qui remplace toute estimation.Le taux de classes indécises, qui mesure l’apport réel de la couleur.La part de la scène sans donnée exploitable, qui diffère fortement selon la méthode.Et le désaccord entre annotateurs, qui borne ce qui peut être promis sur chacune.Une conséquence pratique s’ensuit pour un projet d’annotation 3D. Cette double acquisition coûte une journée sur un site représentatif, elle produit un arbitrage fondé plutôt qu’une préférence, et son coût est sans commune mesure avec celui d’une campagne complète menée sur la mauvaise source.

Ce que le maillage ajoute

Une transformation intervient parfois entre l’acquisition et l’annotation et elle mérite d’être signalée.Un nuage peut être converti en surface continue avant d’être annoté.Trois effets notables en découlent.Les trous sont comblés par interpolation, ce qui produit une surface complète et partiellement inventée.Le bruit est lissé, ce qui améliore l’apparence et efface une information sur la fiabilité locale.Et la donnée devient plus légère et plus rapide à manipuler.Une conséquence pratique importante en découle pour un projet d’annotation 3D. Le premier effet est le plus problématique, un annotateur travaillant sur une surface reconstruite ne distinguant plus ce qui a été mesuré de ce qui a été comblé, ce qui plaide pour annoter le nuage et livrer le maillage plutôt que l’inverse.

La question qui tranche

Une question départage les deux sources plus vite qu’une grille comparative.Le livrable contiendra-t-il une dimension exprimée en unités réelles.Une réponse positive exige une mesure ou une échelle établie sur site, ce qui écarte une photogrammétrie non référencée quelle que soit sa qualité apparente.Une réponse négative ouvre le champ, la classification et la localisation relative se satisfaisant d’une reconstruction.Cette question porte sur le livrable et non sur la technique, elle se pose avant toute acquisition, et elle évite le cas le plus coûteux, un corpus soigné dont on découvre après coup qu’il ne peut porter aucune mesure.

Trois vérifications à la réception

Trois contrôles suffisent à qualifier un jeu de données avant de s’engager.Établir l’origine de la donnée, mesure ou reconstruction, information qui manque souvent et qui change tout ce qui suit.Vérifier la présence d’une échelle et son mode d’établissement, sans lesquels aucune exigence dimensionnelle ne tient.Et mesurer la densité sur les objets d’intérêt plutôt qu’en moyenne, seule valeur qui prédit la faisabilité.Ces trois contrôles occupent une heure sur un échantillon, ils ne demandent aucun outillage particulier, et ils évitent d’accepter un corpus dont la nature interdit ce que le projet attendait.

Ce que ce choix engage sur la durée

Trois conséquences dépassent le projet initial et méritent d’être posées au cadrage.La source détermine les artefacts que le système apprendra à tolérer, ce qui limite son emploi ultérieur sur une donnée d’autre origine.Un changement de source en cours de programme invalide une part des exigences contractuelles exprimées en valeur absolue.Et un corpus constitué sur une source reste combinable avec un autre de même origine et difficilement avec un autre.Une observation en découle. Ces trois conséquences plaident pour trancher tôt et documenter la source dans les métadonnées, décision qui coûte un champ et qui préserve la valeur du corpus lorsque le programme s’étend.

Ce que le prestataire doit demander

Quatre informations conditionnent un devis honnête et elles se demandent avant de chiffrer.La méthode d’acquisition employée, dont la réponse détermine les artefacts à prévoir.La présence d’une échelle établie, qui conditionne les contrôles disponibles.Un échantillon représentatif plutôt qu’une scène de démonstration, seul moyen de mesurer la densité réelle.Et la disponibilité d’images associées, dont la présence change la cadence sur les classes ambiguës.Une observation en découle pour un prestataire d’annotation 3D. Ces quatre questions se posent en un courriel, elles précèdent tout chiffrage sérieux, et l’incapacité d’un client à y répondre est en soi une information sur la maturité du projet.

Ce qu’il faut retenir

Le LiDAR mesure et la photogrammétrie estime, distinction invisible à l’écran et déterminante pour ce qu’un corpus permet d’affirmer.Trois lectures se dégagent. L’absence d’échelle absolue en photogrammétrie non référencée prive le corpus du contrôle dimensionnel, qui constitue l’avantage principal de l’annotation 3D sur l’annotation d’images. La couleur native accélère fortement la décision de classe, ce qui explique la fréquence des montages mixtes malgré la contrainte de calibration qu’ils imposent. Et la densité effective sur les objets d’intérêt doit être vérifiée plutôt que la densité moyenne annoncée, un chiffre flatteur pouvant masquer une insuffisance là où se trouvent les objets à annoter.Pour la configuration qui combine les deux sources, l’article consacré à la fusion de capteurs détaille les exigences. Pour le cadre général, le guide de l’annotation 3D pose le panorama.Pour approfondir les modalités d’exécution, les formats pris en charge et les dispositifs de contrôle applicables, vous pouvez consulter notre page dédiée à l’annotation 2D et 3D. Et si vous hésitez sur la source de données d’un corpus tridimensionnel, échangeons sur votre projet.