Rapport de travail sur la construction des ortho-photos de surface à partir de photos en format BMP

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1 Rapport de travail sur la construction des ortho-photos de surface à partir de photos en format BMP Claude Parisel Janvier 2004 Table des matières : 1. Approche générale 2. Rappel des fonctions de lecture d un fichier BMP 3. Rappel des fonctions de lecture d un fichier BMP 4. La construction d un fichier BMP pour les plans ou ortho-photo d une surface plane 5. La construction d un fichier BMP pour les cônes ou ortho-photo d une surface conique. Annexe 1 Structure de l information sur les fichiers XXX.dat Annexe 2 Structure des répertoires et lancement des fonctions SCHEME compilées à partir des fonctions LISP

2 1. Approche générale La construction d image Raster transformées est assez coûteuse en temps de calcul. Il faut lire et analyser une image originale, la transformer selon une procédure particulière et la réécrire dans un format lisible par les logiciels d imagerie. Une première étude consignée dans le fichier BMP-RW.doc intitulé «Rapport final sur le format BMP, sa structure, sa lecture et son écriture» par Claude Parisel en Janvier 2004 explique le choix du format BMP pour traiter ces transformations et les types de fichiers 8 bits/pixels pour les images en grisé ainsi que 24 bits/pixels pour les images en couleur. Le rapport décrit en détail la structure des fichiers BMP et explique les fonctions SCHEME de lecture et d écriture de ces fichiers. On fournira ici qu un bref rappel de ces fonctions et de ce qu elles produisent. Comme une image de 1000 x 1000 génère déjà 1,000,000 de pixels à lire, traiter et éventuellement écrire, ce qui est lourd pour des fonctions interprétées, on a choisi de faire le traitement en plusieurs étapes avec fichiers intermédiaires. Étape lecture Lecture de l image originale [*.BMP] Interprétation des données en matrice de valeurs de pixels Écriture de cette matrice, sous forme de liste, dans un fichier texte [*.TXT] Étape acquisition des données Identification de la photo originale à traiter Paramètres de la photo à construire. Saisie des paramètres de transformation selon qu il s agit de construire une ortho-photo d une surface plane ou le déroulement à plat d une surface conique. Celle-ci se fait avec l usager. Écriture des informations nécessaires à la transformation dans un fichier texte de données [*.DAT] Étape traitement Lecture du fichier d information [*.DAT] Lecture du fichier de la matrice de pixels de l image originale [*.TXT] Construction de la matrice de pixels de l ortho-photo à construire Écriture de cette matrice dans un fichier texte [*- ORTHO.TXT] Étape écriture de l ortho-photo Lecture de la matrice de pixels transformée [*- ORTHO.TXT] Écriture de cette information en format BMP [*- ORTHO.BMP]

3 2. Rappel des fonctions de lecture d un fichier BMP Programme R-BMP.scm (ou LEC-BMP.lsp) Ce programme lit un fichier BMP noir et blanc, 8 bits/pixel, ou couleur 24 bits/pixel mode Window 3.1 et plus, sans compression et écrit sa matrice de pixels dans un fichier de nom identique avec l extension TXT. Exemple : Fichier lu: Test.bmp Fichier écrit : Test.txt Variables calculées : ent pour entête, pal pour palette de couleur, dat pour matrice de pixels. Le programme écrit les données de la variable dat dans le fichier texte et affiche les données de la variable ent. Exemple d affichage pour un fichier 8 bits: (BM ) Exemple d écriture : (( ) ( )) On remarque qu il s agit d une liste de lignes, chacune etant une liste de valeurs de pixels. Pour un fichier 24 bits/pixels, chaque pixel est une liste de 3 octets. La fonction utilise les sous-programmes scheme suivants : LECT-PART R-CAR (read caractère) R-PIX (read pixel) 3. Rappel des fonctions d écriture d un fichier BMP Programme W-BMP.scm Cette fonction lit un fichier de type *.TXT, comprenant une matrice de pixels dont le format est généré par la fonction R- BMP ou une fonction de transformation et l écrit sous le format BMP. Il génère l entête, la table de couleur et codifie la matrice de pixels. La fonction utilise le sous-programme scheme suivant : W-NB (write number) W-LIST-NB (write liste number) W-TABLE (write table color) W-MATPIX (write matrice pixel) W-LINE-PIX (write ligne pixel) Le fichier résultant peut être lu directement par tous les logiciels de traitement d image.

4 4. la construction d un fichier BMP pour les plans ou orthophoto d une surface plane. Cette opération se fait en six étapes : On met en place un environnement de travail de 3 fenêtres aur Autocad dans lequel apparaît : Un modèle tridimensionnel des points géodésiques relevés sur la surface. La photo originale de cette surface surlaquelle on reconnaît les images des points géodésiques. Le modèle du plan moyen de la surface tridimensionnelle à plat tel que calculé par la fonction [GET-SURF.lsp]. On construit l information utile au calcul de l ortho-photo dans une interface avec l usager [GET-BMP-PLAN.lsp]. On demande à l usager D identifier la photo originale D identifier un polygone de 4 points géodésiques sur la photo. D identifier le polygone homologue sur le plan moyen. De définir la grandeur du cadre de l ortho-photo et sa définition (nombre de pixels horizontaux). Le résultat est écrit dans un fichier texte [*.DAT] dont voici un exemple : ( (C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\data\obélisque-hatchepsout\photos\pyradbw.bmp C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\data\obélisque-hatchepsout\photos\pyradbw.txt C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\data\obélisque-hatchepsout\photos\pyradbw-ortho.txt C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\data\obélisque-hatchepsout\photos\pyradbw-ortho.bmp ) ( ( ) ( ) ) ( ( ) ( ) ) ( )) C est une liste comprenant : La liste des noms des fichiers (BMP, TXT, ORTHO-TXT, ORTHO-BMP) avec leurs répertoires. L information sur l image originale (coin du cadre en bas, à gauche et en haut à droite, nombre d epixels horizontal et vertical) La même information sur l image à construire. Les 8 coefficients pour calculer le passage d un point du plan moyen à celui de l image. Le reste est fait avec la fonction [EXECUTE.lsp] qui fait : c. On traduit la photo originale en format TXT avec la fonction R-BMP.scm. d. On construit la matrice de l ortho-photo avec la fonction [MAKE-BMP-PLAN.scm] qui produit un fichier [*- ORTHO.TXT] de la matrice de pixels de la photo construite. e. On traduit ce fichier [*-ORTHO-TXT] en fichier image [*- ORTHO-BMP] avec la fonction W-BMP.scm qui est le résultat final. f. On insère cette image dans l environnement de travail de façon à ce qu elle coïncide avec le cadre de l image qui était à construire.

5 Le cœur de la transformation se fait avec la fonction [MAKE- BMP-PLAN.scm] Cette fonction lit le fichier [*.DAT] et en extrait les informations utiles comme le nombre de pixels en x et y pour la photo et celle à construire, leur dimensions en x et y et le point en bas à gauche du cadre de chacune. Elle lit aussi le fichier [*.TXT] qui décrit la matrice de pixels de la photo originale. Le processus consiste à balayer l espace de l image à construire dans le plan moyen, ligne par ligne, pixel par pixel pour trouver le centre de chaque pixel. Le point homologue du centre de chaque pixel dans le plan de l image originale est calculé à l aide des coefficients. Cepoint homologue permet de trouver le pixel homologue sur l image originale (indice dans la matrice) et de rechercher sa valeur dans la matrice de l image. Cette valeur est assignée au pixel de la nouvelle image. La matrice construite est écrite dans un fichier texte [*- ORTHO-TXT]. Elle utilise les fonctions : [PIX-PT2D.scm] [PT3D-PT2D.scm] [PT2D-PIX.scm] La saisie des données [GET-BMP-PLAN.lsp] demande d identifier la photo originale et un polygone de 4 points homologues sur l image et dans le plan moyen. Apparaît alors, en rouge, sur le plan moyen, le cadre de la photo originale pour information. On demande alors le coin en bas à gauche du cadre de l image à construire et en temps réel le coin en haut à droite de ce cadre. En même temps que le cadre de l image à construire est mis à jour dans le plan moyen, sa position sur le plan de l image est aussi mis à jour. On peut donc voir le cadre de l image à construire dans les deux espaces, celui de la photo et celui du plan moyen. (voir image1). Pour faire cela il faut pouvoir calculer la position de points homologues à partir de la position d un point dans un espace. Le passage de l espace image à celui du plan moyen ou inversement s évalue à l aide de 8 paramètres qui se calculent selon l algorithme suivant :

6 Algorithme de passage de la surface moyenne à la surface de l image et inversement Pour établir une relation mathématique entre deux plans, celui de la photo et celui d une face en dehors de toute information sur la prise de vue, il suffit de connaître 4 points homologues. Dans le plan de la photo on identifiera 4 points par leurs coordonnées x et y relatives à l origine du plan photo et on identifiera les mêmes 4 points dans le plan réel par leurs coordonnées x et y relatives à l origine du plan réel. On notera les points i1 à i4 pour les 4 points de l espace image et o1 à o4 pour les points homologues dans l espace objet. Pour la transformation de l espace image à l espace objet, on peut écrire pour chacun des 4 points n (in on) : a1*xin + a2*yin + a3 - c1*xin*xon - c2*yin*xon = xon b1*xin + b2*yin + b3 - c1*xin*yon - c2*yin*yon = yon On obtient ainsi la matrice de 8 lignes: xi1 yi (- (* xi1 xo1)) (- (* yi1 xo1)) xo xi1 yi1 1 (- (* xi1 yo1)) (- (* yi1 yo1)) yo1 xi2 yi (- (* xi2 xo2)) (- (* yi1 xo2)) xo xi2 yi2 1 (- (* xi2 yo2)) (- (* yi2 yo2)) yo2 xi3 yi (- (* xi3 xo3)) (- (* yi3 xo3)) xo xi3 yi3 1 (- (* xi3 yo3)) (- (* yi3 yo3)) yo3 xi4 yi (- (* xi4 xo4)) (- (* yi4 xo4)) xo xi4 yi4 1 (- (* xi4 yo4)) (- (* yi4 yo4)) yo4 dont la solution donnera les valeurs des coefficients a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1 et c2 Pour la transformation de l espace objet à l espace image, on peut écrire pour chacun des 4 points (in on) a1*xon + a2*yon + a3 - c1*xon*xin - c2*yon*xin = xin b1*xon + b2*yon + b3 - c1*xon*yin - c2*yon*yin = yin xo1 yo (- (* xo1 xi1)) (- (* yo1 xi1)) xi xo1 yo1 1 (- (* xo1 yi1)) (- (* yo1 yi1)) yi1 xo2 yo (- (* xo2 xi2)) (- (* yo2 xi2)) xi xo2 yo2 1 (- (* xo2 yi2)) (- (* yo2 yi2)) yi2 xo3 yo (- (* xo3 xi3)) (- (* yo3 xi3)) xi xo3 yo3 1 (- (* xo3 yi3)) (- (* yo3 yi3)) yi3 xo4 yo (- (* xo4 xi4)) (- (* yo4 xi4)) xi xo4 yo4 1 (- (* xo4 yi4)) (- (* yo4 yi4)) yi4 dont la solution donnera les valeurs des coefficients a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1 et c2 Dès lors le transfert d un point connu P1 dans un espace vers l autre espace P2 sera calculé ainsi : xp2 = a1*xp1 + a2*yp1 + a3 / c1*xp1 + c2*yp1 + 1 yp2 = b1*xp1 + b2*yp1 + b3 / c1*xp1 + c2*yp1 + 1 Selon le sens du transfert, espace image vers espace objet ou l inverse, la valeur des coefficients changent.

7 Cadre de la photo originale Cadre de la photo à construire Cadre de la photo à construire Polygone De 4 points Espace tridimensionnel Espace de la photo originale Espace du plan moyen fig.1. Environnement de travail initial et saisie des informations.

8 fig.2. Environnement de travail final prêt au relevé de la surface en vraie grandeur.

9 fig.3. photo originale (1000 x 1200) de la face du pyramidion et ortho-photo (1000 x 1600) construite de cette surface en format BMP 24 bits/pixels

10 5. La construction d un fichier BMP pour les cônes ou ortho-photo d une surface conique Programme [MAKE-BMP-CONE.scm] Cette opération se fait en trois étapes et commence avec le programme lisp [GET-BMP-CONE.lsp], qui permet de saisir l ensemble des informations nécessaires à la construction du développement d un cône, à savoir : L information sur la photo du cône, sur le modèle 3D photographié et sur le développement de sa surface ainsi que ce qui est nécessaire au passage de l un à l autre et à la fabrication de l ortho image. Cette fonction LISP écrit un fichier XXX.dat. [voir le rapport «relevé des colonnes»] Le programme [MAKE-BMP-CONE.scm] récupère les données générées par la fonction [GET-BMP-CONE.lsp] en lisant le fichier XXX.dat ainsi que la matrice de pixels de la photo originale en lisant le fichier XXX.txt. Il ouvre un fichier ORTHO-XXX.txt dans lequel il écrit les valeurs des pixels de l image calculée. En dernier on utilisera la fonction [W-BMP.scm] pour transformer ce fichier ORTHO-XXX.txt en ORTHO- XXX.bmp, fichier lisible par les logiciels d affichage d image raster. Pour faire la transformation, la fonction [MAKE-BMP- CONE.scm] procède en plusieurs étapes : Elle balaye tous les pixels de l image à calculer de la dernière ligne à la première du pixel de gauche à celui de droite pour chaque ligne. Pour chaque pixel : elle calcule PT2D, la position géométrique (x,y) du milieu du pixel [pix-pt2d] Elle calcule PT3D, la position de PT2D sur le modèle normalisé du cône [pt2d-pt3d]. Elle calcule PT2D, la position géométrique de la perspective de PT3D sur la photo de la colonne [pt3dpt2d]. Elle calcule PIX, l indice du pixel correspondant à PT2D sur la photo [pt2d-pix]. Elle lit alors la valeur du pixel de la photo et l assigne au pixel de l image à calculer. On obtient donc un fichier ORTHO-XXX.txt de la matrice des pixels de l image à calculer, dont il ne reste qu à mettre en format BMP avec [W-BMP.scm]. Elle utilise les fonctions : [PIX-PT2D.scm] [PT2D-PT3D.scm] [PT3D-PT2D.scm] [PT2D-PIX.scm] L image générée est alors intégrée à l environnement de travail sur Autocad, localisée et mise à l échelle dans la fenêtre sur le développement de la surface du cône. Tout est prêt alors à faire le relevé à plat en vraie grandeur.

11 Limites de la photo à construire Limites de visibilité Limites de visibilité fig.4. Environnement de travail sur Autocad : Détermination du cadre de l image à construire

12 fig.5. à gauche : Ortho-photo générée à droite : photo originale

13 fig.7. Insertion de l ortho photo sur l environnement de travail.

14 ANNEXE 1 : Structure de l information sur les fichiers XXX.dat GET-BMP-CONE.lsp Structure de l information : (information générale ( data sur le 2D (som2d) (pbx2d) (pbf2d) (phf2d) (phx2) ) ( data sur le 3D (som0) (pbc0) (pbx0) (phx0) (phc0) (phy0) (pby0) (rb0) (hb0) (r10) (alpha) ) (data sur la photo originale (pbg1) (phd1) px1 py1 ) (data sur la photo à construire (pbg2) (phd2) (limg) (limd) ) (matrice de 3D à photo (ligne 1) (ligne 2) (ligne 3) (ligne 4) ) ) L ensemble de cette information est écrite en texte sous un fichier *.dat Exemple: (((0 0) ( ) ( ) ( ) ( )) ((0 0 0) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )) (( ) ( ) ( )) (( ) ( ) ( ) ( ) ( )) (( ) ( ) ( ) ( ))) Le programme utilise la fonction: INFO-BMP.lsp pour aller chercher l information sur le fichier BMP à traiter.

15 Y Z som0 Y som2d X X alpha beta hb0 r10 phf2d phc0 phy0 phx2d genpx2 Px pbf2d rb0 pbc0 phx0 pby0 pbx2d genpx1 pbx0 fig.4. Références sur les variables utilisées.

16 ANNEXE 2 : structure des répertoires et lancement des fonctions SCHEME à partir des fonctions LISP Pour pouvoir fonctionner facilement on doit adopter une structure de répertoires standard : Soit «racine» un disque et un chemin donné (ex : C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents) On créera un répertoire sur le nom du projet (ex : Karnak) Puis deux sous répertoires, un sur les données (data) et l autre sur les ressources (system) Le répertoire «system» se subdivise ainsi : Répertoires Fichiers SYSTEM ASRIX asrix.exe FONCTIONS-LISP make-bmp-plan.exe Make-bmp-cone.exe w-bmp.exe r-bmp.exe CONE ensemble des fonctions *.lsp relatives à l ortho-photo de surfaces coniques MATRICES ensemble des fonctions *.lsp relatives aux traitement matriciel RELEVE ensemble des fonctions *.lsp relatives aux fonctions de relevé INIDATA ensemble des fichiers *.dat d initialisation des données SIGNES-TYPES ensemble des fichiers *.sign de description de signes type. Le répertoire «data» se subdivise ainsi : DATA «NOM d ELEMENT» ACAD ensemble des fichiers *.dwg qui décrivent l objet «NOM de la SURFACE» Fichier *.surf qui décrit les données sur la surface moyenne APPAREILLAGE ensemble des fichier *.bloc qui décrivent les données sur les pierres EPIGRAPHIE ensemble de fichiers *.sign qui décrivent les occurrences des signes

17 PHOTOS ensemble des fichiers *.jpg, *.tif, photos originales des objets Ensemble des fichiers transformés en *.bmp Ensemble des fichiers *.txt et *-ortho.txt qui décrivent les pixels en format texte Ensemble des fichiers *.dat qui décrivent les paramètres de transformation en ortho-photo PHOTOS REDRESSEES ensemble des fichiers *-ortho.bmp, photos redressées La fonction [GET-BMP-PLAN.lsp] construit le fichier *.dat. La fonction [EXECUTE.lsp] propose de lancer les fonctions SHEME compilées au fur et à mesure pour fabriquer le fichiers intermédiaires et insérer l image redressée finale. Pour faire cela, la fonction EXECUTE écrit un fichier «test.bat» dans le répertoire C:\program files\acad2000 qui permet de lancer l exécution des fonctions compilées avec les bons paramètres. Exemple : CD C:\ CD C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\system\fonctions-lisp w-bmp.exe "C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\data\obelisque-hatchepsout\photos\pyrad-color-ortho.txt " "C:\Documents and Settings\parisel\Mes documents\karnak\data\obelisque-hatchepsout\photos\pyrad-color-ortho.bmp " pause Ce fichier TEST.BAT est lancé par la fonction STARTAPP. Une fenêtre DOS est ouverte et affiche le travail en cours. À la fin de l exécution on peut fermer la fenêtre DOS et poursuivre dans la fonction [EXECUTE.lsp].