Photogrammétrie : comment modéliser un bâtiment en 3D gratuitement et avec (presque) n’importe quel drone

Avec la technique de la photogrammétrie, il est possible de créer des modélisations d’objets en 3D, plus ou moins proches de la réalité. Elle est particulièrement intéressante avec un drone puisqu’elle permet de modéliser des bâtiments en profitant de photos aériennes. Pour modéliser un objet 3D, il faut une série de clichés pris de manière pertinente, et utiliser les services d’un logiciel de modélisation. 

Des embûches apparaissent à toutes les étapes… Comment réaliser les clichés ? Et quel logiciel utiliser ? Sachant que ce sont pour la plupart des applications destinées à des usages professionnels… donc onéreuses ! Ce post vous propose une première approche de la photogrammétrie, facile et gratuite…

Le préambule réglementaire

Si vous envisagez de filmer un bâtiment en catégorie Ouverte, n’oubliez pas que les réglementations européennes et françaises jouent potentiellement les trouble-fêtes dans le but de réduire les risques d’incidents ou d’accidents. 

• La réglementation européenne impose que, pour voler à moins de 150 mètres de distance des « zones résidentielles, commerciales, industrielles ou récréatives », il faut un drone de classe C0 ou C1 (ou C2 sous conditions), ou un drone sans indication de classe de moins de 250 grammes (ou de 500 grammes, mais uniquement jusqu’au 31 décembre 2023). 
• La réglementation française, elle, interdit le survol de l’espace public en agglomération, ce qui limite singulièrement les possibilités de filmer des bâtiments.
• Attention aussi aux conditions de survol des personnes, principalement liées à la classe et au poids de votre drone. Le bon sens invite à reporter le vol si des personnes risquent de se trouver sous le drone, même si les caractéristiques de ce drone rendent l’usage autorisé, puisque vous allez probablement être plus concentré sur la prise de vues que sur l’environnement de vol.
• Enfin veillez au respect de la vie privée et à ne pas entraver l’exercice du droit du propriétaire.

Pour en savoir plus au sujet de la réglementation, ça se passe ici… Fin du préambule réglementaire.

Réaliser les prises de vues

La méthode la plus efficace et la plus facile consiste à utiliser un logiciel spécialisé dans la création de vols automatiques. Si vous pouvez en utiliser un, faites-le ! mais il est fort probable que vous deviez vous en passer. Soit parce qu’en l’absence de SDK pour votre drone il n’en existe pas, soit parce que leur coût est élevé.

Une alternative consiste à réaliser les clichés manuellement en pilotant le drone autour du bâtiment que vous désirez modéliser. Réaliser les clichés manuellement a un intérêt majeur : vous contrôlez efficacement la position, l’angle et le nombre de photos. La tâche peut sembler semble longue et chronophage, mais sachez que la modélisation ne requiert pas tant de photos que cela pour obtenir de bons résultats. D’ailleurs utiliser trop de prises de vues est susceptible de perturber les logiciels de modélisation en fournissant trop d’informations à traiter, en requérant trop de mémoire et de temps processeur. Dans l’exemple qui accompagne ce tuto, les images ont été shootées avec un Mini 4 Pro de DJI en mode 12 mpix, 4:3, réglages Auto.

Le choix du logiciel

Il existe de nombreux outils de modélisation, j’utilise habituellement WebODM parce qu’il me semble constituer le meilleur compromis entre prix et facilité d’emploi. Si vous comptez intégrer la photogrammétrie à vos activités professionnelles, vous devrez choisir un outil plus performant, et ce sera un investissement (en budget ou en temps ou les deux) dont l’amortissement sera à calculer. En attendant, pour s’essayer à la discipline, vous pouvez utiliser les versions d’évaluations de logiciels professionnels limitées dans le temps. 

Mais je vous propose un focus sur l’application : 3DF Zephyr Free. C’est la version gratuite de cet outil professionnel développé par la société italienne 3Dflow. Pourquoi ce logiciel ? Parce que la version Free n’impose aucune limite dans le temps. En revanche ses fonctionnalités sont en nombre réduit. La principale limitation de 3DF Zephyr Free : il ne permet d’utiliser que 50 images pour construire le modèle 3D – alors que les versions payantes peuvent prendre en charge un nombre illimité de clichés. Est-ce un souci ? A vrai dire non, parce que pour créer le modèle 3D d’un petit bâtiment, une maison par exemple, 50 photos sont largement suffisantes !

Réaliser les prises de vue ?

Pour optimiser la création du modèle 3D, mettez toutes les chances de votre côté. Préférez un jour sans soleil pour éviter les ombres et les zones surexposées ou au contraire sous-exposées, et pour faciliter des réglages manuels uniques conservés pendant toute la durée des prises de vues. Si vous savez que vous allez obtenir des images avec de fortes disparités de luminosité, choisissez de shooter en RAW puis retravaillez les images pour les harmoniser.

Shootez dans la définition la plus importante, mais évitez les modes 48 mégapixels type Quadbayer qui peinent avec les environnements sombres. Préférez le 4:3 au 16:9 pour obtenir plus de matière. Efforcez-vous de choisir une vitesse d’obturation rapide : le flou des images est un ennemi de la modélisation. Pour cette raison, à moins d’une luminosité vraiment trop forte (avec de la neige par exemple), évitez les filtres ND.  

Le principe des prises de vues consiste à shooter la cible sous toutes ses coutures. Photographiez chaque façade, les angles à hauteur d’homme, pour environ 8 photos. Grimpez un peu, inclinez la caméra pour conserver la cible au centre de l’image, et tournez à nouveau autour du bâtiment pour 8 photos. Puis encore une fois en inclinant encore plus la caméra. 

Terminez avec quelques clichés à la verticale du bâtiment, caméra orientée à 90° vers le bas (on appelle ça le « nadir »).

Evidemment, le nombre de clichés par tour de bâtiment dépend de nombreux facteurs : sa taille, la forme, sa complexité, sa hauteur, les éventuels obstacles. Adaptez les prises de vues en conséquence, selon le sujet et son environnement. Vous pouvez bien sûr shooter beaucoup plus de 50 images, cela permet d’être certain de disposer d’une base efficace. Mais avec la version Free, limitée, de 3DF Zephyr, vous devrez faire le tri avant leur passage dans la moulinette 3D.

Installez 3DF Zephyr Free

Téléchargez l’application sur le site de 3Dflow (ici) – elle n’est disponible que pour PC Windows. Bon point : elle est traduite en français.

Lancez le logiciel et cliquez sur l’onglet « Méthode de travail », « Nouveau Projet… ». Dans la fenêtre de l’Assistant, cliquez sur « Eparse », « Modèle » et « Texture » : ce sont les 3 étapes de modélisation. Si vous ne faites pas ces trois choix, vous devrez effectuer ces étapes manuellement les unes à la suite des autres. Continuez avec « Suivant > ». 

Glissez le répertoire avec vos clichés (ou utilisez les icônes pour choisir des images). L’Assistant récapitule les clichés. Cliquez sur « Suivant > ».

Cliquez sur « Suivant > » pour passer l’écran de calibrage de la caméra – normalement le logiciel extrait automatiquement les informations dont il a besoin depuis les données EXIF des images. 

C’est parti…

Dans la fenêtre « Orientation de la caméra », choisissez « Aérien – images nadirales » pour la catégorie. Pour les préréglages, « Rapide » convient pour faire des essais, mais choisissez « Profond » pour obtenir la meilleure qualité. Continuez avec « Suivant > ».

Faites les mêmes choix dans la fenêtre « Création de nuage de points dense ». Continuez avec « Suivant > ».

Idem avec la fenêtre « Reconstruction de surface ». Continuez avec « Suivant > ».

Dans la fenêtre « Texturation », laissez « Général » pour la Catégorie. Choisissez « Low poly » dans Préréglages pour des essais, ou « Détails élevés » pour un résultat optimal. Finalisez avec « Suivant > ».

Cliquez sur « Démarrer » pour lancer les calculs.

Vous pouvez aller boire un café, ou 2, ou 3, ou plus : cette opération est chronophage, et la durée de traitement dépend de votre ordinateur.

Ca a fonctionné ?

La fenêtre de résultat indique si la modélisation a réussi totalement, c’est-à-dire que tous les clichés ont été pris en compte. Ou bien partiellement : certaines images sont indiquées comme n’ayant été utilisées. Ou s’il y a échec, auquel cas le jeu de photos est sans doute incompatible avec les calculs 3D – il va falloir les refaire ! Cliquez sur « Terminer ».

3DF Zephyr Free devrait vous montrer une vue nadir (verticale) du bâtiment modélisé. 

Avec la souris, vous pouvez observer l’objet 3D sous toutes ses coutures, zoomer avec la molette. Les points bleus en surimpression matérialisent chaque cliché. Notez que, dans l’exemple d’illustration de ce tuto, de nombreux défauts émaillent le modèle 3D : des trous dans la toiture, des textures inexactes, une modélisation quasi existante de la flèche et du coq-girouette… 

Que faire de l’objet 3D ?

Vous pouvez l’exporter dans divers formats comme Mtl, Obj. J’utilise pour ma part le format Glb qui contient les textures des objets 3D, à visionner avec un outil en ligne comme Viewer 3D, ou le format Gltf avec cet outil. Il est aussi possible de l’exporter vers le service Sketchfab : vous aurez besoin d’un compte et de son ID. Cochez la case « Exporter les metadonnées xml » pour inclure les textures. Voici un exemple du résultat sur Sketchfab…

Vous pouvez aussi créer une vidéo de votre objet 3D comme s’il était survolé… par un drone ! Attention : le logiciel ne propose qu’une seule option : le stockage sur YouTube. Dans la fenêtre « Animateur » (qui se trouve dans l’onglet « Vue » si elle n’apparait pas à l’écran), le choix « Ajouter toutes les positions caméra » crée un vol qui passe par tous les points de prises de vues, avec une stabilisation des mouvements. 

« Créer un plan automatique » permet de réaliser une animation « Circulaire », « Spirale », etc. Pour créer la vidéo, cliquez sur « Suivant > ». Prenez le temps de configurer l’animation en plaçant le cercle bleu au centre de votre objet 3D, avec l’aide des cônes de couleur. Il est probable que vous deviez réduire le rayon de la caméra virtuelle. Pensez à incliner la caméra virtuelle vers l’objet 3D avec le paramètre « tangage ». Enfin, choisissez la durée de la vidéo en secondes dans « Temps total ». Cliquez sur « Lecture » pour une prévisualisation. Quand tout est ok, faites « Terminer ». 

Dans la fenêtre « Animateur », l’icône Play blanche sur fond rouge lance l’animation. L’icône juste à droite affiche les « Options d’enregistrement vidéo ». Vous y indiquez la définition des images, le nombre d’images par seconde, le débit. Faites « Ok » pour valider. Vous aurez besoin d’un compte Google YouTube. La mise en ligne peut être assez lente, aussi bien du côté de 3DF Zephyr Free que de YouTube : soyez patient… 

Le résultat ?

Voici un exemple de vidéo « Circulaire » publiée sur YouTube en 4K/60. 3DF Zephyr Free ajoute une intro, que vous pouvez retirer.

Le bonus ?

Si vous n’avez pas envie de shooter 50 photos manuellement, sachez que 3DF Zephyr Free offre un autre outil : il est capable d’extraire de modéliser un objet 3D à partir d’une vidéo ! Vous vous en doutez, le résultat n’est pas aussi bon qu’avec des photos, ne serait-ce que parce que la définition des photos est généralement supérieure à celle des vidéos. Mais la facilité d’emploi peut faire la différence !

3DF Zephyr Free s’occupe d’extraire 50 clichés de votre vidéo. A vous de lui fournir une séquence filmée de manière optimale. Par défaut, il extrait 1 image par seconde, en veillant à choisir les images avec le moins de flou. Si vous ne touchez pas aux paramètres, réalisez une vidéo de 50 secondes en tournant autour du bâtiment et en montant doucement jusqu’à vous retrouver au sommet, tout en inclinant la caméra. La fonction FocusTrack Spotlight de certains drones de DJI permet de faciliter ce vol en conservant automatiquement le focus sur la cible ! Veillez à ce que la vitesse d’obturation soit la plus basse possible, évitez pour cela les filtres ND.

La procédure est très semblable à celle avec des photos : cliquez sur l’onglet « Méthode de travail », « Nouveau Projet… ». Dans la fenêtre de l’Assistant, cliquez sur « Eparse », « Modèle » et « Texture » : ce sont les 3 étapes de modélisation. Continuez avec « Suivant > ». Cliquez sur « Importer des Images d’une vidéo ».

Cliquez sur les « … » de « Fichier d’entrée » et indiquez le chemin vers la vidéo. A moins d’en avoir vraiment besoin, ne modifiez pas les autres paramètres et cliquez sur « Extraire les trames et les importer dans l’espace de travail ».

L’opération peut être un peu longue, selon la puissance de votre PC et la vitesse de son unité de stockage. Elle stocke 50 photos issues de la vidéo. Si la vidéo est trop longue, 3DF Zephyr Free vous l’indique avec un message d’erreur. Dans ce cas, cliquez sur Ok et fermez la fenêtre d’extraction des frames avec la croix blanche sur fond rouge. Faites « Suivant > », puis encore « Suivant > ».

Il ne vous reste plus qu’à suivre le tuto en le reprenant au paragraphe C’est parti, puisque la procédure est la même qu’avec des photos. Mais, vous êtes prévenu, le résultat est moins bon. 

Passer à la vitesse supérieure

3DF Zephyr Free est parfait pour de premières expériences en photogrammétrie 3D, pour comprendre comment la technologie fonctionne, bref pour débuter. Prenez le temps de jouer avec ses nombreux réglages pour visualiser leur impact sur le modèle 3D. Mais les limitations de la version Free sont rapidement handicapantes. 

Si vous désirez aller plus loin en photogrammétrie, il faut acquérir un outil adapté. Il y a les versions payantes de 3DF Zephyr, comme la Lite à 199 € hors taxes. WebODM, que j’utilise beaucoup, est à $57. Il y a des logiciels open source, souvent un peu difficiles à maîtriser. Les outils destinés à des usages professionnels sont puissants, complets, avec des workflow adaptés à des process industriels comprenant parfois la partie planification des vols et prises de vues, mais logiquement plus chers : il y a Pix4D, RealityCapture, Drone Deploy, MetaShape, et bien d’autres encore… A vous de jouer !