L'imagerie lidar simple photon passe en temps réel
Publié par Redbran le 06/11/2019 à 14:00
Source: CNRS INS2I

© Tachella et al.
Le lidar simple photon capture des scènes 3D à distance et dans des conditions réduites de visibilité, où la plupart des autres techniques fonctionnent mal. Cependant, le traitement de leurs données est trop lent pour un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel. Des chercheurs ont donc conçu un nouvel algorithme, capable d'obtenir un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect...) de points en seulement 20 millisecondes. Publiés dans la revue Nature Communications, ces travaux ont des applications entre autres utiles aux voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est...) autonomes.

Équivalent laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) du sonar, le lidar (La télédétection par laser ou LIDAR, acronyme de l'expression en langue anglaise « Light Detection and Ranging », désigne une technologie de...) mesure des distances en émettant un faisceau de photons et en interprétant leur écho. Cette technique reconstitue en 3D des objets ou toute une scène. Sa variante lidar simple photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) envoie des pulsations laser, comprenant plusieurs photons sur un laps de temps très court, puis enregistre toutes les picosecondes si un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) revient heurter le capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique,...). Il mesure ainsi des distributions de photons au cours du temps, selon la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de nombreuses...) qu'une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) réfléchisse les photons émis par le laser. Cela permet de capturer des scènes même derrière des vitres et dans des conditions difficiles pour les autres méthodes 3D: brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules...), milieux aquatiques, ensoleillement important, longues distances... Malheureusement, la reconstruction du nuage de points à partir de la distribution de photons est particulièrement gourmande en temps de calcul et pas toujours fiable.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport...) de Toulouse (IRIT, CNRS/INP Toulouse/Université Toulouse Paul Sabatier/Université Toulouse Jean Jaurès/Université Toulouse Capitole) et de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures)....) Heriot-Watt d'Édimbourg ont proposé une nouvelle solution pour lever ces verrous et atteindre un fonctionnement en temps réel. Ils ont ainsi combiné des approches de pointe, issues du traitement d'image et de l'informatique graphique, pour concevoir un algorithme de reconstruction 3D extrêmement rapide.

À partir des 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.) acquises par un lidar simple photon, des nuages de points 3D sont reconstruits en estimant la probabilité qu'une surface se trouve en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) point (Graphie) de la scène. En mesurant les arrivées de photons toutes les picosecondes, la méthode est ainsi capable de voir à travers les obstacles transparents: la distribution de photons mesurés décrira un pic de photons correspondant à la réflexion d'une vitre, et un second pic pour l'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, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) placé derrière. Selon les conditions, ces distributions de photons peuvent nécessiter des algorithmes de reconstruction robustes, ce qui allonge le traitement des données de plusieurs secondes, minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au...), voire dizaines de minutes. Et plus on souhaite obtenir une surface lisse et précise, plus les temps de calcul augmentent. Ces contraintes empêchent toute utilisation en temps réel.


Le lidar simple photon face à deux surfaces: un homme derrière un camouflage. Le graphique montre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de photons reçus par 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 element, qui signifie...). © Tachella et al.

Avec ce nouvel algorithme, la durée est réduite à seulement 20 millisecondes par acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.), ce qui permet enfin un fonctionnement du lidar simple photon en direct. Le système a également fait ses preuves pour capturer une scène jusqu'à 320 mètres de distance. Deux approches, qui ne cohabitent d'habitude pas, ont pour cela été combinées. La première, fondée sur les statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de...) bayésiennes, identifie les pics de photon potentiels et génère des points 3D. Ensuite, la reconstruction locale supprime le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) et assure la cohérence spatiale de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...). L'algorithme de reconstruction est ainsi capable de traiter en parallèle les surfaces présentes dans la scène, ce qui lui permet d'aller aussi vite.

L'algorithme, basé sur des méthodes de l'état de l'art en informatique graphique, gère aussi bien des distributions très parcimonieuses que des nuages très denses, et reste robuste même sur de grands ensembles. Il est de plus implémenté sur une carte électronique portable, collée directement sur le dispositif. Comme le lidar simple photon consomme peu d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), le tout peut facilement être aménagé en un système mobile.

Les applications du lidar simple photon en temps réel sont nombreuses. La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) correspond ainsi de plus en plus aux besoins des voitures autonomes, où de hautes vitesses de traitement sont nécessaires pour gérer des véhicules en mouvement. Elle intéresse également les milieux de la défense, de l'aviation (L'aviation est une activité aérienne définie par l'ensemble des acteurs, technologies et règlements qui permettent d'utiliser un aéronef dans un but particulier. Ces diverses...), la vision artificielle ainsi que tous les autres champs d'applications des scanneurs laser.

Références:
Julian Tachella, Yoann Altmann, Nicolas Mellado, Aongus McCarthy, Rachael Tobin, Gerald S. Buller, Jean-Yves Tourneret and Stephen McLaughlin. Real-Time 3D reconstruction from single-photon lidar data using plug-and-play point cloud denoisers. Nature Communications 2019.


Performances de différentes méthodes pour observer un homme derrière un camouflage. La ligne du haut correspond à un temps d'acquisition court. La méthode présentée dans ces travaux est la plus à droite. © Tachella et al.

Contact chercheur:
Nicolas Mellado - Chargé de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
nicolas.mellado at irit.fr
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