Imagerie hyperspectrale: voir l'invisible

Publié par Adrien le 22/12/2019 à 08:00
Source: CNRS INS2I
L'imagerie hyperspectrale consiste à acquérir l'intensité lumineuse émise par un matériau dans de nombreuses (typiquement plusieurs centaines) longueurs d'ondes différentes, pouvant couvrir le spectre électromagnétique du domaine visible au proche infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus...), voir dans le domaine thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes...). Ainsi, pour chaque pixel (Le pixel, souvent abrégé px, est une unité de surface permettant de mesurer une image numérique. Son nom provient de la locution anglaise picture...), nous disposons d'une caractérisation du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) sous la forme d'un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un...) à plusieurs centaines de dimensions. De la même manière que l'information de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...) permet de distinguer des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) différents qui auraient la même intensité lumineuse et qui ne seraient donc pas différentiables avec une image en noir et blanc (Le noir et blanc sont considérés ou non comme des couleurs selon la discipline qui en parle : imprimerie, photographie, physique, peinture, théorie de la...), l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit...) hyperspectrale permet de distinguer finement des matériaux qui pourraient apparaître identiques à l'oeil nu !

Les applications sont multiples et variées: dans le domaine biomédical pour l'analyse de pathologies de la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.), en agriculture de précision pour caractériser un stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à...) hydrique ou la détection précoce de parasites, pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à...) avec la détection et le suivi de la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par...), de la qualité de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et...), jusqu'à la chasse aux exoplanètes en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des...)... Les progrès technologiques récents ont grandement popularisé ce type d'imageurs, désormais embarqués sur des satellites (Satellite peut faire référence à :), des drones ou pour des études in-situ.

Cependant, le traitement optimal de ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) est rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets...) particulièrement complexe par la grande dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) des données. Évoluant dans un espace à plusieurs centaines de dimensions, les données ont des propriétés statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi...) bien différentes des données habituellement manipulées en télédétection (La télédétection désigne, dans son acception la plus large, la mesure ou l'acquisition d'informations sur un objet ou un phénomène, par l'intermédiaire d'un instrument de...). Si on considère une grande image, il est par exemple presque certain qu'il n'existera pas deux pixels avec la même valeur. Comment alors calculer une simple matrice de covariance (Pour le principe physique, voir Principe de covariance générale.) ou un histogramme (L'histogramme est le graphe permettant de représenter l'impact de diverses variables continues.) ? Depuis une quinzaine d'années, je me suis donc attaché à développer des méthodes de traitement et d'analyse innovantes visant à extraire l'information de données hyperspectrales. Les problématiques rencontrées concernent différents aspects.

Les travaux de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de Jocelyn Chanussot ont donc des applications variées. Par exemple, pour le débruitage des données qui peuvent se retrouver fortement bruitées car celles-ci sont particulièrement sélectives en termes de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) lors de leur mesure. Ou encore la classification des données, qui est l'affectation (En algorithmique (informatique), une affectation est une opération qui permet d'attribuer une valeur à une variable.) de chaque pixel à une classe - un matériau - donné, de manière supervisée ou non.

Autres exemples d'applications: le démélange spectral ou l'identification au sein d'une même mesure des différents composés qui sont mélangés et l'estimation de leurs abondances respectives. Enfin, il est possible de citer également la compression. Même si les mesures sont effectuées sur plusieurs centaines de longueurs d'ondes, la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) intrinsèque des données est bien plus petite. Estimer cette dimension intrinsèque permet, d'une part, d'estimer le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de composants purs présents dans un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...), mais ouvre également la voie à une compression efficace des données, ce qui est capital tant pour le stockage que pour la transmission de ces images, depuis une plateforme satellitaire par exemple.


© NEO / Hyspex - https://www.hyspex.com/

Pour traiter ces problèmes, des méthodes avancées de traitement de l'information ont été développées. Dans ce domaine comme dans beaucoup d'autres, les techniques d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par l'observation, l'imitation, l'essai, la...) profond (deep learning) et d'intelligence artificielle (L'intelligence artificielle ou informatique cognitive est la « recherche de moyens susceptibles de doter les systèmes informatiques de capacités intellectuelles comparables à...) jouent un rôle crucial. Mais il est également primordial de considérer la spécificité de ces données, qui ne sont pas qu'une simple abstraction ( En philosophie, l'abstraction désigne à la fois une opération qui consiste a isoler par la pensée une ou plusieurs qualités d'un objet concret pour en former une représentation intellectuelle, et le...) mathématique, une matrice à trois dimensions qui aurait été générée par un logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont inclus les instructions de traitement, regroupées sous...) de calcul scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.). Et pour cause, ces données proviennent d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise,...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...), observé dans des conditions réelles par un instrument. Ainsi, les travaux de Jocelyn Chanussot touchent à des enjeux de pluridisciplinarité: quel est l'impact de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) sur les observations, comment les données sont-elles calibrées, etc. ? Tous ces aspects sont abordés par le biais de collaborations et de discussions indispensables avec des experts des différents domaines applicatifs.

Depuis 2009, Jocelyn Chanussot organise une conférence internationale, WHISPERS (Workshop on Hyperspectral Image and Signal Processing: Evolution in Remote Sensing) avec le soutien de la société savante (Une société savante est une association d’érudits, leur permettant de se rencontrer, d'exposer le résultat de leurs recherches, de se confronter avec leurs pairs, spécialistes du même domaine, et enfin de...) IEEE: cet événement annuel s'est rapidement imposé comme le rendez-vous annuel de la communauté internationale spécialisée sur ce sujet. Depuis deux ans, la conférence scientifique est couplée avec un salon professionnel, SpectroExpo, permettant ainsi un rapprochement avec le monde (Le mot monde peut désigner :) industriel.
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