Modélisation spatio-temporelle d’édifices patrimoniaux

Approches qui visent à décrire la morphologie

Les approches de restitution morphologique des états passés sont très variées et dépendent des informations dont on dispose. Certaines approches s’appuient sur l’acquisition de données de terrain du peu d’éléments subsistants (par relevé laser et/ou par campagne photographique) afin d’effectuer la restitution géométrique des éléments manquants par déduction et par comparaison avec des sources iconographiques anciennes. En revanche, la reconstruction tridimensionnelle des éléments architecturaux disparus est un défi et ouvre des panoramas de modélisation très variés qui ont été sujets de plusieurs recherches (Criminisi et al. 2000; S.F. ElHakim 2001; Koshak & Gross 1998). La disparition des objets oblige à s’appuyer sur les sources documentaires datées telles que les photographies historiques, les documents historiques, les peintures en perspective, les fresques, ou encore des dessins. Parfois, même lorsque des images multiples sont possibles, certaines parties de la scène apparaissent dans une seule image en raison de l’occlusion et / ou manque de repères correspondants entre les images. Certaines approches permettent une reconstruction 3D à partir d’une seule image, en s’appuyant sur les lignes et les points de fuite, comme il est démontré par (Criminisi et al. 2000; Debevec et al. 1996). (S.F. El-Hakim 2001) propose une méthode précise et souple basée sur des principes de photogrammétrie pour modéliser une grande variété de sites historiques.
Cette approche permet de reconstruire en 3D de nombreuses structures détruites à l’aide de vieilles photographies et de peintures et cartes postales. L’approche n’a pas besoin de modèles d’objets, ni de connaître les paramètres internes de la caméra. De plus il n’utilise pas les lignes ou les points de fuite, qui peuvent être absents ou difficiles à extraire. Cette méthode exploite plusieurs types de contraintes : contraintes de points, de coordonnées, de surfaces et topologiques. Cette approche premièrement, dans l’étape de calibration, trouve les paramètres internes et externes de la caméra en utilisant un ensemble de contraintes ; deuxièmement, pour l’étape de restitution, l’approche utilise des contraintes supplémentaires pour obtenir des coordonnées 3D pour la reconstruction. Les paramètres de l’appareil photo et les coordonnées 3D sont calculés à partir d’ajustement des faisceaux photogrammétriques qui consiste en une triangulation simultanée de toutes les données. Dans la phase de reconstruction, plus de contraintes sont combinées avec les équations de calibration.
Ces contraintes incluent, d’une part, des formes (telles que plans, cylindres, parallélépipèdes, sphères et cercles), et d’autre part, des relations topologiques (telles que perpendicularité, parallélisme et symétrie). Pour les vieilles fresques ou les peintures avec la perspective erronée, la
méthode (Sabry F. El-Hakim et al. 2008) impose qu’une partie de l’objet ou le site existe toujours, par exemple, ses fondations ou les vestiges archéologiques. Des mesures à partir de ces restes sont utilisées pour re-échantillonner les matériaux de base, afin de créer une image avec une perspective correcte, et l’utiliser pour reconstruire le site. Dans ce genre d’approches, le résultat est un modèle non structuré et indépendant pour chaque type de données : la restitution géométrique n’est pas structurée.

Les transformations du patrimoine historique

Le patrimoine historique, par sa nature, est composé d’édifices, monuments, statues et décors (plus génériquement appelés artefacts) qui n’ont en général pas une forme constante dans le temps. Dans la plupart des cas ils subissent des nombreuses transformations, d’une de leurs parties ou de l’ensemble. Si on assume que le patrimoine historique par sa nature n’est pas uniforme dans le temps, il faut donc différencier les deux phases qui décrivent la vie d’un artefact : la phase de transition (changement) et celle de persistance (invariabilité).
La phase de transition d’un artefact désigne une succession de modifications physiques de l’objet historique. Le processus de variation peut avoir diverses causes (d’origine naturelle ou humaine). Par exemple, une guerre ou un tremblement de terre peuvent être à l’origine d’une destruction d’un complexe d’édifices.
La phase de persistance d’un artefact est un arc temporel pendant lequel l’artefact ne subie pas de transformation, et il reste donc invariable.
De toute évidence, ces deux notions sont strictement liées à celle de durée de vie des artefacts. En effet le cycle de vie d’un artefact est composé d’une succession d’états de transition et de persistance. Un cycle de vie démarre toujours avec un état de transition (qui désigne la création de l’artefact), ensuite il peut être constitué de l’alternance de plusieurs phases de transition et de persistance, et enfin, s’il n’est pas terminé, il peut représenter l’état courant par une transformation en cours ainsi que par un état d’invariabilité.
De façon générale, la relation cause-effet domine le processus de transformation des bâtiments (Leyton 1992). Premièrement, les transformations des édifices sont dominées par des causes variées, qui peuvent avoir une origine naturelle (cataclysmes naturels tels qu’un incendie, des vents forts ou un tremblement de terre) ou qui peuvent dériver des actions humaines (une modification apportée sur l’artefact par volonté du propriétaire, un changement de propriété, une guerre, l’abandon d’un édifice). Deuxièmement, les causes ne sont pas toujours connues. Parfois l’action qui a déterminé un changement n’est plus observable, et on connaît seulement ses effets ; d’autres fois les actions qui ont causé une transformation sont connues et quelque fois leurs traces sont lisibles sur les bâtiments. En tout cas, alors qu’un événement est toujours en cours, sa durée ne peut être évaluée. Troisièmement, l’effet (l’état de persistance d’un artefact) est la trace d’un processus de transformation (Dudek & J.-Y. Blaise 2008). A titre d’exemple, suite à un tremblement de terre, l’action n’est plus observable, mais sa trace, la démolition partielle ou entière des édifices ou leur dégradation, est observable.

Approche de reconstruction 3D des états et outil associé

Les maquettes sont difficilement conçues depuis leur création pour supporter les évolutions dans le temps. Souvent il est nécessaire d’intégrer à la maquette originaire les étapes historiques disparues des édifices ou d’apporter des modifications à la maquette reconstituée. La construction et structuration d’une maquette spatiotemporelle d’un édifice patrimonial et de ses états passés demande un double effort conceptuel : d’une part la maquette doit être construite et structurée dans l’espace en prenant en compte les échelles fondamentales de ses éléments architecturaux et de ses décors ; d’autre part tels éléments doivent obéir aux critères de décomposition temporelle. De ce fait, des liens entre éléments structurés doivent être établis afin de garder une trace des transformations qui se sont succédées. De plus, le seul état actuel peut être reconstruit rigoureusement grâce aux techniques mixtes de relevé laser et de photogrammétrie ; en revanche les états passés sont conditionnés par un certain nombre d’éléments disparus dont la morphologie et l’époque d’appartenance peuvent résulter incertaines. Dans ce sens, le processus d’interprétation augmente au fur et à mesure que les informations spatiales et métriques se réduisent. Par conséquent, la reconstruction tridimensionnelle se base dans un premier temps sur l’acquisition géométrique de quelques éléments subsistants ; dans une deuxième étapes elle se base sur l’interprétation des sources (parfois très imprécises d’un point de vue formel et graphique), et s’appuie sur les relations de composition qui peuvent être établies à partir des connaissances architecturales. Les sources historiques constituent une contrainte fondamentale comme leur nature détermine l’approche de modélisation 3D, sa qualité métrique et son niveau de fiabilité.

Approche de visualisation et de consultation des évolutions et outil associé

Ces 30 dernières années l’évolution des Technologies de l’Information et de la Communication (TIC) a révolutionné la structuration des Systèmes d’Information. Des supports de visualisation efficaces ne se limitent pas à exploiter des données génériques ou statistiques mais permettent un accès plus rapide aux informations en favorisant la compréhension des données, leur comparaison et l’extraction d’informations pertinentes à travers des requêtes dynamiques (S. K. Card et al. 1999).
De façon générale, l’exploration des données suit un processus en trois étapes qui comprend la vision d’ensemble du sujet, le zoom et filtrage des données, et enfin l’analyse de détails à la demande (D.A. Keim 2001). Tout particulièrement en patrimoine historique, une collecte variée d’informations permet de décrire le bâtiment et de reconstituer ses évolutions morphologiques et historico-sociétaires : son état actuel est constitué par les informations acquises sur le terrain, et ses états passés sont décrits par les sources documentaires. De telles données sont le support sur lesquels toutes analyses et interprétations sont effectuées. La visualisation d’informations reliées à la maquette spatio-temporelle cherche à donner accès et à explorer rapidement les informations pertinentes ; à mettre en évidence les relations, les analogies et différences entre les données; enfin, à sélectionner et classifier les informations de manière interactive. Toutefois, actuellement peu de systèmes visent à fournir des outils d’interprétation des données issues des sources documentaires dans une plateforme unique et intégrée. De plus, un nombre encore plus limité de systèmes intègre des dispositifs de visualisation de l’évolutivité à la morphologie des édifices. Dans le but d’atteindre cet objectif, trois axes doivent interagir entre eux :
La structuration des données. La définition d’un modèle sémantique pertinent permet de relier les données spatiales et temporelles très variées afin de pouvoir décrire de manière cohérente le jeu d’informations. Telles données concernent la forme, la position, la datation et l’apparence visuelle de l’artefact.
Les représentations spatiales. En fonction de la résolution géométrique et de la fiabilité de la restitution sur la base des sources, les représentations géométriques peuvent devenir des outils pour répondre à un certain questionnement et pour interpréter les données grâce à l’abstraction. Le système de notation temporel. Le système de graphes historiques permet de visualiser les évolutions en deux dimensions. Il constitue le cœur de la démarche qui permet de relier les informations géométriques du bâti aux époques temporelles en fonction des sources. A l’aide de cet outil, il est possible d’observer la dynamique des évolutions, de tracer les étapes et de formuler des requêtes transversales afin de descendre dans le détail de l’analyse.

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Table des matières

1. INTRODUCTION
1.1. CONTEXTE 
1.2. OBJECTIF 
1.3. PORTÉE, LIMITES, APPORTS PRINCIPAUX 
1.4. TERRAIN D’EXPÉRIMENTATION 
1.5. STRUCTURE DU DOCUMENT 
2. RESTITUTION DES ÉTATS PASSÉS 
2.1. PROBLÉMATIQUE 
2.1.1. La collecte iconographique
2.1.2. La fiabilité des sources
2.1.3. L’interprétation des sources
2.2. ETAT DE L’ART DES APPROCHES POUR LA REPRÉSENTATION DES ÉTATS PASSÉS 
2.2.1. Approches qui visent à représenter l’apparence visuelle des états
2.2.2. Approches qui visent à décrire le contexte topographique
2.2.3. Approches qui visent à décrire la morphologie
2.2.4. Approches qui visent à représenter les évolutions
2.2.5. Approches qui visent à représenter les incertitudes
2.2.6. Analyse critique des expériences présentées
2.3. CONCLUSIONS 
3. REPRÉSENTATION DES TRANSFORMATIONS 
3.1. PROBLÉMATIQUE 
3.1.1. La perception d’un seul état
3.1.2. Les transformations du patrimoine historique
3.1.2.1. Les types de transformations
3.1.2.2. La durée des transformations
3.1.3. Modélisation spatio-temporelle d’édifices patrimoniaux
3.2. ETAT DE L’ART DES MODÈLES EXISTANTS POUR LA REPRÉSENTATION DES TRANSFORMATIONS
3.2.1. Modèles visant à représenter les objets
3.2.2. Modèles visant à représenter les changements
3.2.3. Modèles visant à représenter le mouvement
3.2.4. Modèles visant à décrire des échelles multiples de représentation
3.2.5. Modèles visant à représenter le processus
3.2.6. Analyse critique des modèles de conception
3.3. CONCLUSIONS 
4. ARCHITECTURE GLOBALE DE L’APPROCHE PROPOSÉE 
4.1. PRÉOCCUPATIONS RETENUES 
4.2. APPROCHE MÉTHODOLOGIQUE 
4.2.1. Le modèle pour la description temporelle
4.2.1.1. Le système de notation
4.2.1.2. Modélisation des états et des évolutions
4.2.1.3. Les résolutions
4.2.2. Le modèle de structuration spatiale
4.2.2.1. La description sémantique
4.2.2.2. Organisation morphologique en fonction du temps
4.2.2.3. Granularité spatiale
4.3. DÉMARCHE GLOBALE 
4.4. ENVIRONNEMENT DE PROGRAMMATION 
4.4.1.1. Le langage Mel
4.5. CONCLUSIONS 
5. APPROCHE DE RECONSTRUCTION 3D DES ÉTATS ET OUTIL ASSOCIÉ 
5.1. RECONSTRUCTION 3D DES ÉTATS 
5.1.1. Référencement spatial des sources
5.1.2. Modélisation géométrique 3D de chaque état
5.1.3. Restitution de l’apparence visuelle
5.1.4. Comparaison des moyens de restitution
5.2. STRUCTURATION SPATIO-TEMPORELLE 
5.2.1. Outils de structuration
5.2.2. Création de groupes et entités
5.3. QUALIFICATION DES ENTITÉS 
5.3.1. Référencement temporel de la source iconographique
5.3.2. Référencement temporel des entités : les attributs temporels et de relation
5.3.2.1. Attributs temporels
5.3.2.2. Attributs de relation
5.3.2.3. Visualisation des états d’existence
5.3.3. Qualification de l’incertitude
5.3.4. Archivage des attributs et des représentations
5.3.4.1. L’exploitation de la maquette évolutive
5.4. CONCLUSIONS 
6. APPROCHE DE VISUALISATION ET DE CONSULTATION DES ÉVOLUTIONS ET OUTIL ASSOCIÉ
6.1. ETAT DE L’ART DES SYSTÈMES DE VISUALISATION D’INFORMATIONS TEMPORELLES
6.1.1. Systèmes linéaires de représentation
6.1.2. Systèmes bidimensionnels de représentation
6.1.3. Systèmes tridimensionnels de représentation
6.1.4. Systèmes hybrides de représentation
6.1.5. Analyse critique des systèmes
6.2. STRUCTURATION D’INFORMATIONS TEMPORELLES 
6.2.1. Architecture du système
6.2.2. Environnement de développement
6.2.3. La scène 3D
6.2.4. L’interface des graphes historiques
6.2.5. La base de données
6.2.6. Dialogue entre les parties du système
6.3. OUTILS DE SÉLECTION ET MANIPULATION DES TRANSFORMATIONS 
6.3.1. La formulation de requêtes temporelles
6.3.2. Visualisation des états historiques
6.3.3. La visualisation des évolutions
6.3.4. Interaction entre les graphes et la géométrie
6.3.5. Modification des résolutions des évolutions
6.4. OUTILS DE CONSULTATION ET MANIPULATION EN FONCTION DES CRITÈRES TEMPORELS 
6.4.1. Visualisation des états temporels
6.4.2. Visualisation et manipulation des hypothèses
6.4.3. Visualisation des incertitudes spatiales
6.4.4. Visualisation des incertitudes temporelles
7. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES 
7.1. LIMITES 
7.1.1. Granularité spatiale de la structuration
7.1.2. Modélisation des évolutions
7.1.3. Sauvegarde de l’historique des évolutions
7.1.4. Topologie et granularité temporelle
7.1.5. Exploitation de l’historique des évolutions
7.2. PERSPECTIVES DE RECHERCHE 
7.2.1. Mise en relation des représentations passées avec l’iconographie
7.2.2. Spatialisation de l’incertitude
7.2.3. Résolutions multiples en fonction des sources
7.2.4. Graphes historiques tridimensionnels
7.2.5. Domaines d’application
7.3. RÉFLEXIONS CONCLUSIVES 
BIBLIOGRAPHIE

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