Brevet FR2652915A1 — publié le 19910412

La présente invention est relative à un nouveau procédé pour l'obtention d'images stéréo et à des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé. On sait que la vision binoculaire permet de percevoir une impression de relief qui fait que l'on peut apprécier les positions relatives dans 11 espace des objets que l'on voit. Cette vision en relief est due au fait que chaque oeil perçoit une image perspective qui est différente de l'image qui est percue par l'autre oeil en raison du décalage des points d'observation qui découle de l'écartement des deux yeux ; l'axe de vision de chaque oeil est dirigé vers un point central qui est situé dans le plan médian de la vision. Il est également connu de restituer une vision stéréo à partir de photographies, d'images ou de dessins obtenus de diverses manières, qui sont associés par couple et qui représentent chacun la vue perspective correspondant à chacun des yeux de l'observateur, un tel couple d'images devant être bien entendu observé à l'aide d'un dispositif tel qu'une binoculaire qui fait en sorte que chaque oeil ne puisse voir que l'image perspective qui lui correspond. On sait également qu'il est possible d'accrottre l'effet stéréo en faisant observer un couple d'images perspectives prises à partir de points de vue dont l'écartement est supérieur à l'écartement des yeux de l'observateur. La présente invention est relative à un procédé qui permet de réaliser des couples d'images stéréo d'une manière beaucoup plus simple et économique que les procédés jusqu'alors connus. De surcroît, les couples d'images stéréo obtenus conformément à l'invention présentent un certain nombre d'avantages importants qui sont expliqués ci-après. Le procédé selon l'invention est d'une application particulièrement intéressante dans le cas d'images numériques, par exemple, les images réalisées à partir de satellites. De telles images sont constituées par la juxtaposition d'un grand nombre d'éléments de surface généralement carrés qui sont désignés sous le terme de 'pixel". Chaque pixel est associée à une valeur de luminance. De telles images numériques peuvent être soit en noir et blanc, soit en couleur si l'on associe trois images primaires correspondant chacune à une couleur particulière. Les images obtenues à partir du satellite SPOT couvrent une surface d'environ 6500 km2. En représentation panchromatique (noir et blanc), chaque pixel de l'image ainsi obtenu couvre une zone de surface terrestre de 10 mètres sur 10 mètres, tandis qu'en représentation multispectrale (couleur), un pixel couvre une zone de surface terrestre de 20 mètres sur 20 mètres, ce qui donne une moins bonne définition. Il est également connu de traiter par des moyens informatiques de telles images obtenues à partir des satellites pour obtenir des ortho-images qui sont superposables à une carte. De tels traitements d'images satellites pour les transformer en ortho-images peuvent être par exemple effectués par la Société ISTAR, par l'institut Géographique National, ou encore à l'étranger par des services nationaux tels que le 1'US Geological Survey. Il est également connu de réaliser des modèles numériques de terrain à partir d'un couple d'images stéréographiques obtenues par satellite, en associant à chaque pixel la cote, c'est-à-dire l'altitude du point correspondant sur le terrain. Le calcul de ces cotes est effectué par des moyens informatiques à partir des images stéréographiques prises par les satellites. De tels modèles numériques de terrain peuvent être obtenus auprès d'un certain nombre de sociétés dont celles qui ont été préalablement citées. Les altitudes des différents pixels fournies par de tels procédés sont exprimées en décimètres. La précision absolue n'est cependant en moyenne que d'environ de 5 mètres (écart quadratique moyen). Les modèles numériques de terrain obtenus par de tels procédés représentent l'altitude de la cime des arbres ou du toit des maisons. La détermination de l'altitude du sol du terrain considéré demande des moyens complémentaires lorsqu'il est caché par un recouvrement. Il est également connu de réaliser à l'aide de moyens informatiques à partir des modèles numériques de terrain, des couples d'images stéréo qui sont des vues en perspective convergentes prises à partir de deux points prédéterminés de l'espace. L'observation de ces couples d'images stéréo permet une vision en relief qui peut être obtenue à l'aide de divers moyens tels que l'observation par une binoculaire d'images photographiques ou images affichées sur un moniteur ou sur un écran de télévision noir et blanc ou en couleur. Ces couples d'images peuvent également être projetés simultanément sur un écran en lumière polarisée ou avec des lumières de couleurs différentes et être observées à l'aide de lunettes à verres polarisants ou à verres colorés en conséquence. Ce procédé connu de calcul numérique de deux vues en perspective permettant d'avoir une vision en relief n'a eu jusqu'à ce jour pratiquement aucune application dans le domaine de la cartographie. Cela s'explique notamment par le fait que la réalisation d'un couple de photos aériennes stéréographiques était, jusqu' à une date récente, plus facile et plus économique que le calcul d'images numériques. Le calcul d'un couple stéréo d'images numériques suppose en effet qu'on dispose de systèmes informatiques spécialisés relativement puissants, qui ne sont apparus qu'assez récemment, et surtout qu'on possède un modèle numérique de terrain couvrant le domaine à représenter. Or la fabrication de modèles numériques de terrain à un prix abordable est tout à fait récente.Seules dans le monde quelques sociétés, dont la Societé ISTAR, la réalisent dans des conditions industrielles. A titre indicatif, les modèles numériques de terrain de cette société se vendent actuellement environ 80.000 F, pour une surface de 4500 km2 avec une maille 20 m. La présente invention permet la création de couples stéréographiques d'images dans des conditions économiques. Par ailleurs, elle permet de les exploiter par des moyens plus simples et plus économiques. La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'une image en relief, caractérisé par le fait que l'une des images du couple d'images stéréo est une ortho-image telle qu'une carte ou une spatiocarte et que l'autre image du couple d'images stéréo est une vue en perspective ou en pseudo perspective. On rappelle qu'une spatio-carte est une carte dont le fond a été réalisé à partir d'une photographie ou d'une image de satellite. Conformément à l'invention, l'ortho-image est de préférence observée par l'oeil directeur, tandis que l'autre image est une vue en perspective axée en direction du centre de ltortho-image. On sait que dans la vision binoculaire, les deux yeux ne jouent pas tout à fait le même rôle, et qu'un oeil (qui est généralement l'oeil gauche,) joue le rôle d'oeil directeur, cet oeil directeur imposant le fait que l'image stéréo se superpose à l'image vue par lui et non l'inverse. L'oeil directeur peut être identifié par le fait qu'en vision binoculaire, si l'on cache l'oeil directeur, l'on perçoit un déplacement de l'image observée, alors que si l'on cache l'oeil qui n'est pas l'oeil directeur, l'image ne subit aucun déplacement. Dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la vue en perspective qui est associée à I'ortho-image est une vue en perspective au sens strict, c' est-à-dire une image correspondant à ce que l'on perçoit à partir d'un point d'observation situé à une distance finie. Selon l'invention, il est également possible d'utiliser une image qui est une pseudo perspective, c'est-à-di+e une image perspective dont le point de vue a été rejeté à l'infini. De telles images sont aussi désignées sous le terme de perspectives cylindriques ou de projections parallèles. Conformément à l'invention, il est avantageux dans ce cas que le point d'observation de la perspective qui est rejeté à l'infini, le soit parallèlement au plan passant par les axes d'observation des deux images stéréo. Conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, le plan de projection de l'image perspective ou pseudo-perspective est avantageusement le plan de ltortho-image. Dans le cas d'une pseudo-perspective (projection parallèle oblique), ce procédé conserve les distances dans chaque plan horizontal. Conformément à un mode de mise en oeuvre préféré de 1 invention, la réalisation de l'image pseudo perspective est obtenue par le calcul numérique en décalant les pixels de l'ortho-image parallèlement à la projection de l'axe de visée sur le plan de projection, d'une distance qui est proportionnelle à l'altitude de chacun d'eux. Selon ce mode de mise en oeuvre préféré, l'image de pseudo perspective est obtenue en prenant la luminance de chaque pixel de l'ortho-image et en la reportant sur le pixel à l'intérieur duquel, compte-tenu de son altitude, le centre du pixel de ltortho-image se trouve reporté. Ce mode de mise en oeuvre présente cependant l'inconvénient de donner dans certains cas une perception du relief en marches d'escalier. C'est la raison pour laquelle, conformément à l'invention, il est préférable de procéder à un lissage de l'image pseudo perspective. Ce lissage consiste à étaler la luminance de chaque pixel de I'ortho-image sur des pixels contigüs, entourant le point où a été décalé le centre du pixel considéré de I'ortho-image, en fonction des distances séparant le centre du pixel décalé des centres des pixels sur lesquels on étale sa luminance. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le décalage se fait parallèlement aux lignes ou aux colonnes de I'ortho-image. Dans ces conditions, l'étalement des luminances se produit seulement sur deux pixels contigüs, en ligne ou en colonne La présente invention a également pour objet les couples d'images stéréo constitués d'une part par une ortho-image et d'autre part par une image perspective ou pseudo perspective telle que définie précédemment. La présente invention a aussi pour objet les images stéréo résultant de l'observation du couple constitué par l'ortho-image et l'image perspective ou l'image pseudo perspective selon l'invention. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif plusieurs modes de réalisation qui sont représentés sur le dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique en élévation, représentant comment l'on obtient les images perspectives droite et gauche d'un couple d'images stéréo conventionnelles. - la figure 2 est l'image perspective destine à être vue par l'oeil droit, - la figure 3 est l'image perspective destinée à être vue par l'oeil gauche, - la figure 6 est une ortho-image correspondant à une vue de dessus de la figure I, - la figure 5 est une vue pseudo perspective selon l'invention, - et la figure 6 est une vue schématique montrant le lissage de l'image pseudo perspective de la figure 5 obtenue à partir de I'ortho-image de la figure t. On a schématiquement représenté sur la figure 1 un plan horizontal 1 comportant un point central O et qui est soumis à deux observations aux points A et B qui sont placés symétriquement par rapport au point central O. Les points A et B correspondent aux points de vue des deux perspectives. Pour schématiser la vision perspective, on a placé sur le plan A un cylindre à axe vertical 3 et un prisme de section triangulaire également à axe vertical 6. La forme et la position de ce cylindre 3 et de ce prisme 6 peuvent être vues sur la figure 6 qui est une vue de dessus de la figure I laquelle est en fait I'ortho-image. La figure 2 est une vue en perspective correspondant à la figure I. Cette vue en perspective qui est prise à partir du point B est projetée sur le plan 2b qui est perpendiculaire à la ligne OB. On remarque sur la figure 2 que l'ellipse qui représente le disque supérieur du cylindre 3 a une surface plus grande que l'ellipse qui représente le disque inférieur du cylindre 3, lequel est plus éloigné du point B d'observation. II en est de même pour les triangles supérieur et inférieur du prisme triangulaire 4. On voit également que les lignes verticales convergent vers le point d'observation B. On a de même représenté sur la figure 3, la vue en perspective à partir du point A de la figure 1. Si l'on observe le dessin de la figure 2 avec l'oeil droit et le dessin de la figure 3 avec l'oeil gauche sous des angles correspondants aux angles d'observation de la figure 1, on obtient de manière conventionnelle une vision en relief du cylindre et du prisme qui sont placés sur le plan 1. Conformément à l'invention, l'on obtient également une image en relief en observant, de préférence avec l'oeil directeur, l'image de la figure 4 qui est une ortho-image, (c'est-à-dire une vue de dessus du cylindre 3 et du prisme 6 tels que représentés sur la figure 1) tandis que l'on observe avec l'autre oeil, l'une des images des figures 2 et 3 selon que l'oeil directeur qui observe ltortho-image de la figure u et l'oeil gauche ou l'oeil droit. En d'autres termes, alors que les images stéréo traditionnelles sont obtenues à partir d'un couple de deux images perspectives telles que représentées sur les figures 2 et 3, il est possible conformément à l'invention, d'obtenir la même image stéréo en observant l'ortho-image, de préférence avec l'oeil gauche (qui est l'oeil directeur pour la quasi totalité des individus), tandis que l'on observe avec l'oeil droit l'image de la figure 2 qui est une image perspective. Cette substitution, grâce à l'invention, de l'une des deux images perspectives des images stéréo conventionnelles par une ortho-image présente l'avantage de diviser par deux le temps de traitement, ctest-à-dire le coût d'obtention du couple d'images stéréo par traitement informatique à partir du modèle numérique de terrain et d'une ortho-image. Selon un autre mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on peut substituer à l'image perspective représentée sur les figures 2 ou 3 une image pseudo perspective dans laquelle le point d'observation est rejeté à l'infini, le plan de projection étant horizontal. De telles images sont généralement désignées sous le nom de perspectives cylindriques ou de projections parallèles obliques. On retrouve sur la figure 5 le cylindre 3 et le prisme 4 dont les bases sont exactement dans les mêmes positions que pour l'ortho-image de la figure 4 et dont les surfaces supérieures sont déportées vers la gauche d'une distance qui est proportionnelle à la hauteur du cylindre ou du prisme, c'est-à-dire proportionnelle à l'altitude des points de l'ortho-image par rapport au plan 1 qui est le plan de projection. Ainsi, selon ce mode de mise en oeuvra de l'invention, on obtient une image stéréo en observant la figure 4 de préférence avec l'oeil gauche (oeil directeur) et la figure 5 avec l'oeil droit, et ceci bien que la figure 5 ne représente pas une véritable vue en perspective. Ce mode de mise en oeuvre de l'invention présente l'avantage que l'image pseudo-perspective ne présente aucun point central et qu'il est de ce fait possible de se déplacer de manière continue pour examiner n'importe quelle zone de l'image en conservant la même qualité de vision en relief. De même, il est également possible de raccorder bord à bord les ortho-images de plusieurs territoires voisins et les images pseudo perspectives correspondantes (figure 5), et de faire une observation continue en se déplaçant sur l'ensemble du territoire concerné sans qu'il se produise aucune altération de la vision en relief Cette possibilité d'assemblage et de redécoupage permet en outre de réaliser toute une gamme de représentations en relief à des échelles différentes. Il suffit pour cela d'assembler des images très détaillées, puis de les sous échantillonner à raison d'un pixel sur n. En supposant qu'on parte d'une représentation au 1:10 000, on obtient ainsi une représentation au 1:50 000 si n = 5. On notera aussi que l'ortho-image utilisée reste superposable à la carte, contrairement aux vues perspectives. Cela facilite le repérage des objets sur I'ortho-image. Par ailleurs, le calcul de distances, d'aires, etc... reste possible directement sur cette ortho-image. Ce mode de mise en oeuvre, indépendamment de ses avantages importants, est d'une réalisation beaucoup plus simple et plus économique que le mode de réalisation précédemment décrit dans lequel il était nécessaire de réaliser une des deux vues stéréo selon une perspective vraie. En effet, l'image en pseudo-parspective peut-être obtenue beaucoup plus rapidement par des moyens informatiques beaucoup plus simples. On peut donc, grâce à ce procédé, stocker sous forme numérique des couples d'images stéréo intéressant un très grand territoire et exploiter ces vues d'une manière rapide et économique. Des couples d'images sur des supports tels que papier, film, etc ... peuvent être réalisés selon l'invention par divers procédés de restitution à partir du support numérique. On peut également calculer beaucoup plus facilement en temps réel les images pseudo perspectives pour permettre l'obtention de visions cinématographiques en relief. On va maintenant expliquer à l'aide de la figure 6 comment à partir du point C de l'ortho-image de la figure 4, il est possible de créer par des moyens informatiques simples le point Ci qui va permettre de constituer la vue pseudo perspective conforme à l'invention. Comme cela a été expliqué précédemment, la distance CC' est proportionnelle à l'altitude du point C, c'est-à-dire en l'espèce la hauteur du cylindre 3. On suppose que le point C est le centre du pixel P auquel sont affectés une luminance et une altitude. Conformément à L'invention, on constitue une image pseudo perspective du point C qui est décalée parallèlement à la projection de la direction de visée sur le plan de projection, d'une longueur qui est proportionnelle à l'altitude du point C. Ce décalage amène le point C dans la position C' qui se trouve à l'intérieur du pixel Pb. Dans un mode de mise en oeuvre simplifié de l'invention, il est possible d'affecter au pixel Pb dans lequel se trouve situé le point C', une luminance qui est égale à la luminance du pixel P. Cependant, cette manière de faire provoque dans certains cas une impression de marche d'escalier lors de l'observation de l'image stéréo. Pour éviter cet effet, il est possible de procéder à un lissage de l'image pseudo perspective qui est créée à partir de 1' ortho-image. Pour cela, on détermine la position du point C par rapport aux centres Ca et Cb des pixels Pa et Pb. On voit sur la figure 6 que la distance C'Cb est égale à Db, tandis que la distance C' Ca est égale à Da. Le lissage de l'image s'effectue en répartissant la luminance du pixel P entre les pixels Pa et Pb avec des poids respectifs pa et pb qui varient en fonction des distances Da et Db. C'est ainsi que lorsque C' se trouve au centre Cb du pixel Pb, la luminance du pixel P est entièrement attribuée au pixel Pb. Dans ce cas pa = O et pb= 1. Si, par contre C' se trouve sur la limita entre les pixels Pa et Pb, la luminance du pixel P est répartie en part égale entre les pixels Pa et Pb. Dans ce cas pa = pb= 0,5. En d'autres termes, sauf quand le point C' est situé au milieu du pixel Pb, la luminance du pixel P est répartie entre les pixels Pa et Pb, la fraction de luminance attribuée au pixel Pb étant d'autant plus grande et la fraction de luminance attribuée au pixel Pa étant d'autant plus faible, que le point C' est plus proche du centre Cb du pixel Pb. Au début du calcul, une luminance Lx nulle et une somme des poids Spx nulle sont affectées à tous les pixels Px de la pseudo perspective. Lors de la construction de cette dernière, chaque fois que la luminance Lp d'un pixel P de l'orthoimage est répartie sur deux pixels Pa et Pb de la pseudo perspective, leurs luminances La et Lb sont augmentées comme on vient dele voir : La = La + pa.Lp et Lb = Lb + pb.Lp. Simultanément, la somme des poids affectés à ces pixels est remise à jour : Spa = Spa + pa, Spb = Spb + pb. Lorsque tous les pixels P de l'orthoimage ont été examinés, on renormalise leur luminance en la divisant par la somme des poids qui leur ont été successivement affectés, si cette dernière n' est pas nulle : Leur luminance Lx devient alors Lx/Spx. On traite ensuite les pixels Px de la pseudo perspective auxquels aucune luminance n' avait été affectée, pour lesquels Lx = O et Spx = 0, en leur affectant une luminance interpolée entre celles des pixels voisins. Enfin, comme cela est bien connu lorsque l'on réalise les images perspectives par traitement électronique, il est nécessaire dans le cas de la présente invention, de supprimer les parties cachées des images pseudo perspectives. Comme on le voit, la présente invention permet de réaliser d'une manière simple, rapide et économique des couples d'images stéréo qui peuvent être assemblées bord à bord et redécoupéas pour couvrir de très grands territoires tout en permettant de se déplacer de manière continue sur l'ensemble de ces territoires sans que la vision en relief s'en trouve perturbée, ce qui n'est pas le cas lorsque l'on utilise des couples d'images perspectives telles que les images des figures 2 et 3. Les couples d'images stéréo selon la présente invention peuvent être de toute nature et peuvent en particulier être des images numériques, des photographies ou même des dessins. De même, ces couples d'images peuvent être observés de n'importe quelle manière à condition de respecter les conditions relatives aux positions d'observation des deux yeux. Il est bien entendu que les modes de mise en oeuvre qui ont été décrits ci-dessus ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toute modification désirable sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier, il est clair que bien que la description ait été faite en observant l'ortho-image à l'aida de l'oeil directeur, cette ortho-image peut, selon l'invention, être observé par l'oeil qui n' est pas l'oeil directeur sans que la sensation de relief cesse d'être perçue. REVENDICATIONS 1 - Procédé de réalisation d'une image en relief à partir d'un couple d'images stéréo, caractérisé par le fait que l'une des images du couple d'images stéréo est une ortho-image, telle qu'une carte ou une spatiocarte (fig. 4) et que l'autre image du couple d'images stéréo est une vue en perspective (fig.2, fig.3) ou en pseudo perspective (fig.5). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on observe ortho-image (fig. 4) avec l'oeil directeur, l'autre image étant une vue en perspective axée en direction du centre de l'ortho-imaga. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'image pseudo-perspective (fig.5) est une image perspective dont le point de vue a été rejeté à l'infini et dont le plan de projection est horizontal. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le point de vue est rejeté à l'infini parallèlement à un plan passant par les axes d'observation des deux images du couple d'images stéréo. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les images stéréo sont réalisées par des calculs numériques. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'image perspective ou pseudo perspective est obtenue par calculs numériques à partir d'un modèle numérique de terrain. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que l'image pseudo perspective est obtenue à partir de l'ortho-image en décalant chacun des ses pixels parallèlement à la projection de la direction de visée dans le plan de projection, d'une distance proportionnelle à l'altitude de chaque pixel. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on attribue au pixel décalé de l'image pseudoperspective la luminance du pixel correspondant de ltortho-image. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que Iton procède au lissage des images décallées. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la luminance d'un pixel (P) de l'ortho-image (fig. 4) est répartie sur deux pixels voisins (Pa, Pb) disposés parallèlement à la projection sur le plan de l'image pseudo perspective de la direction de l'axe de la pseudo perspective, la répartition des luminances entre les deux pixels (Pa,Pb) de l'image pseudo perspective étant faite en fonction de la position du point décalé (C') correspondant au centre (C) du pixel (P) de ltortho-image (fig. 4) par rapport au centre (Cb) du pixel (Pb) considéré de l'image pseudo perspective et au centre (Ca) du pixel voisin (Pa). 11 - Couple d'images pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est constitué par une ortho-image (fig. 4) et une image perspective (fig.2, fig.3) ou pseudo perspective (fig. 5) 12 - Couple d'images selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'image pseudo perspective (fig.5) est constituée par décalage dans une direction donnée de tous les pixels de l'ortho-image d'une distance proportionnelle à l'altitude des pixels. 13 - Couple d'image selon l'une des revendications Il et 12, caractérisé par le fait que la luminance a été lissée, notamment par le procédé de la revendication. 14 - Image stéréo, caractérisée par le fait qu'elle résulte de l'observation d'un couple d'images, selon l'une des revendications 11 à 13.