[PDF] La photogrammétrie numérique combinée avec la modélisation 3D

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Université de LausanneFaculté de Droit et des Sciences CriminellesEcole des Sciences CriminellesInstitut de Police Scientifique

Série criminalistique XXXVIII

La photogrammétrie numérique combinée avec la modélisation3D : applications aux sciences forensiques

Thèse de doctorat

Lorenzo Lanzi

licencié en sciences forensiques de l"Université de Lausanne

Lausanne

2009

Illustration de couverturePhotomodèle en négatif couleurs du résultat de la modélisation 3D numérique d"une scène

de crime.

Université de LausanneFaculté de Droit et des Sciences CriminellesEcole des Sciences CriminellesInstitut de Police Scientifique

Série criminalistique XXXVIII

La photogrammétrie numérique combinée avec la modélisation3D : applications aux sciences forensiques

Thèse de doctorat

Lorenzo Lanzi

licencié en sciences forensiques de l"Université de Lausanne Thèse réalisée sous la direction du Prof. Pierre Margot

Lausanne

2009

Illustration de couverturePhotomodèle en négatif du résultat de la modélisation 3D numérique d"une scène de crime.

Ai miei genitori,

A mia sorella,

Ad Agnese.

Remerciements

Cette recherche de doctorat a été effectuée à l"Institut de police scientifique de l"Université de

Lausanne, sous la direction de Monsieur le Professeur Pierre Margot. Le Jury de thèse était présidé

par Monsieur le Professeur Christophe Champod, de l"Ecole des sciences criminelles de l"Université

Dienst de la ville de Zurich, du Docteur Jurrien Bijhold, chef du groupe d"analyse d"images et bio-

métrie à l"Institut forensique des Pays-Bas, de Monsieur leProfesseur Claude Roux, du Centre pour

les sciences forensiques de l"Université Technologique deSidney, et du Docteur Olivier Delémont,

Professeur-Associé à l"Ecole des sciences criminelles de l"Université de Lausanne.

Une thèse est un travail qui ne peut pas être réalisé sans le soutien (et la patience), sur le plan

professionnel et personnel, de nombreuses personnes. Dansce bref paragraphe, dont la longueur est

inversement proportionnelle à l"importance que je lui accorde, je tiens à remercier une partie des

personnes qui ont suivi, participé et soutenu la réalisation de ce travail. Prof. Pierre Margot, Directeur de l"Ecole des sciences criminelles de l"Université de Lausanne,

pour avoir dirigé ce travail. Sans sa bonne humeur (inépuisable), sa patience et son soutien tout au

long de ma recherche, il aurait été impensable d"arriver à cerésultat. Wissenschaftlicher Dienst de la ville de Zurich, pour ses conseils et impulsions lors des nombreuses discussions. Dr. Jurrien Bijhold, président du groupe d"imagerie numérique (Digital Imaging Working Group) du Réseau Européen des Instituts de Sciences Forensiques (European Network of Forensic Science Institutes), pour avoir été un rapporteur de choix pour ce travail.

Dr. Olivier Delémont, pour ses critiques éclairées lors de l"évaluation de ce travail et pour les

discussions sur l"application des techniques dans la pratique policière. Tout au long du travail, plusieurs autres personnes sont intervenues pour me donner des conseils, me former dans des domaines particuliers et me faire découvrir des techniques photographiques,

photogrammétriques et de modélisation 3D. Je tiens à remercier particulièrement trois personnes qui

ont joué un rôle à différents moments de ma recherche : - M. Eric Sapin, photographe forensique à l"Institut de police scientifique, pour son dynamisme et ses idées; - M. Marcel Braun, expert à l"UnfallTechnischer Dienst de lapolice de la ville de Zurich, pour sa disponibilité et son enthousiasme; - Mme Ursula Buck, experte à l"UnfallTechnischer Dienst de la police cantonale de Berne et chercheuse à l"IRM de Berne, pour ses conseils et ses explications. La Société Académique Vaudoise pour son soutien financier enfin de recherche. Dr. Kurt Zollinger, chef du Wissenschaftlicher Dienst de laville de Zurich, et tous les collabora- teurs du service M. Hans Sonderegger, ancien chef de l"UnfallTechnischer Dienst de la police de la ville de Zurich

M. Beat Müller, actuel chef de l"UnfallTechnischer Dienst de la police de la ville de Zurich, et les

collaborateurs du service M. Hans Friedrich, chef de l"UnfallTechnischer Dienst de lapolice cantonale de Berne, et tous les collaborateurs du service M. Emilio Scossa-Baggi, chef de la police scientifique du canton du Tessin; M. Giancarlo Santacroce, M. Edo Beltrametti, M. Ivan Cimbri, M. Andrea Quattrini et M.Lars Schmidt, spécilaistes de la police scientifique du canton du Tessin pour leur accueil et leur disponibilité lors des stages effectués.

Les collègues et amis qui ont collaboré ou aidé lors de certains travaux présentés dans cette

i

recherche ou qui ont rendu ce travail plus conforme à la langue française : Agnese, Daniel, Elodie,

Eric, Erika, Fabiano, François, Jean-Michel, Nicolas, Quentin, Raymond, Sarah, Stéphanie. Mes ami·e·s et collègues, pour leur collaboration, participation, soutien et aide.

Mes parents Bruna e Ivo.

Ma soeur Paola.

Agnese.

ii

Table des matières

Remerciements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

Sigles et abréviations utilisés dans la thèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

1 Intérêt et but de la recherche1

1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 La photographie, la photogrammétrie et la modélisation3D. . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Utilisation actuelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 But de la recherche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Contenu de la thèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I Les principes de base11

2 La Photogrammétrie13

2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Les principes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Les méthodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 La modélisation 3D géométrique29

3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2 La modélisation géométrique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 La représentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4 Le matériel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.5 Description de quelques outils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

II Les outils et leurs applications forensiques39

4 Equipements et méthodes41

4.1 Les systèmes de photogrammétrie et de modélisation 3D utilisés en Suisse. . . . . . . 41

4.2 Considérations sur la qualité d"une mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Validation des systèmes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 Organisation du travail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5 La documentation et l"illustration d"états des lieux67

5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.2 Les accidents de la circulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.3 Les autres accidents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.4 Les états des lieux internes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.5 Les objets et les traces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.6 Synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

iii

Table des matières

6 L"analyse et l"exploitation des données105

6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.2 L"exploitation des traces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.3 L"analyse des images. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.4 La combinaison des modèles 3D et des images. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.5 L"analyse des lieux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

6.6 Synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

7 La modélisation 3D et l"évaluation des hypothèses147

7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

7.2 Modélisation 3D : évaluation d"hypothèses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

7.3 La modélisation des événements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

7.4 Les modèles 3D interactifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

7.5 Synthèse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

III Conclusions167

8 Bilan169

8.1 Les applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

8.2 Matériel et conditions de travail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

8.3 Le processus de travail. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

8.4 Les résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9 La photogrammétrie combinée avec la modélisation 3D177

9.1 Comparaison avec les approches traditionnelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.2 2D versus 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

9.3 Qualité et validité du travail et du résultat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

9.4 Valorisation des techniques en sciences forensiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

10 Conclusion183

10.1 Rappel des objectifs de la recherche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

10.2 Critique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

10.3 Recommandations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

11 Perspectives191

11.1 Evolution technologique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

11.2 Propositions pour la suite de la recherche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

Bibliographie195

IV Annexes205

A Utilisation pratique du système RolleiMetric207

A.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

A.2 Calibrer un appareil photographique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

A.3 Travail sur les lieux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

A.4 Travail au laboratoire avec CDW et MSR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 B Résumé des données de l"évaluation du système RolleiMetric217

B.1 Modèles photogrammétriques des différents tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

B.2 Comparaison des mesures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

C Code Matlab de l"algorithme de mesure233

C.1 Mesure sur un plan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

C.2 Mesure sur verticale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

iv Sigles et abréviations utilisés dans la thèse

2D Deux dimensions

3D Trois dimensions

3DS Format de données de 3Ds Max

B-REP Boundary representation (représentation par frontières)

CAO Conception Assistée par Ordinateur

CDW Close Range Digital Workstation

CRT Cathode Ray Tube

CSG Constructive Solid Geometry

dpi dot per inch

DAO Dessin Assisté par Ordinateur

DGN Design (format de données de MicroStation

DXF Drawing eXchange Format (format d"échange de données)

DIWG Digital Imaging Working Group

ENFSI European Network of Forensic Science Institutes

HTML HyperText Markup Language

IGES Initial Graphics Exchange Specification (format d"échange de données)

IPS Institut de Police Scientifique

IRCGN Institut de Recherche Criminelle de la Gendarmerie Nationale IRM Institut von Rechts Medizin (Institut de médecine légale) ISO International Organization for Standardization (Organisation Internationale de Standardisation) JPEG Joint Photographic Experts Group (format d"images numériques)

LCD Liquid Crystal Display

MAX Format de données de 3Ds Max

MSR Metric Single Rectification

OBJ Format de données numériques géométriques RAF Format brut d"images numériques brut de Fujifilm RAW Ensemble de formats d"images numériques "bruts"

RMS Root Mean Square

(racine carrée de la moyenne quadratique ou moyenne quadratique)

SI Système International

STL format de données numériques originaire de la stéréolithographie TIFF Tagged Image File Format (format d"images numériques)

UFD Unfallfotodienst (Service photographique)

UTD UnfallTechnischer Dienst (Service technique des accidents)

VRML Virtual Reality Modeling Language

WD Wissenschaftlicher Dienst (Service scientifique)

WRL Format de données du langage VRML

X3D Format de données du langage VRML

Chapitre 1Intérêt et but de la recherche

1.1. Introduction

1.1 Introduction

Les deux sujets de cette recherche sont la photogrammétrie,c"est-à-dire l"ensemble des techniques

qui permettent de faire des mesures sur des sujets photographiés, et la modélisation tridimensionnelle

numérique (ci-après abrégé par "modélisation 3D"), une méthode d"enregistrement, de traitement et

de représentation de l"information numérique.

Depuis la découverte des principes de la perspective et de laphotographie, différentes approches

pour pouvoir faire des mesures sur des photographies ont étédéveloppées. Les fondements théoriques

de la photogrammétrie, soit les principes de la perspectiveet de la géométrie descriptive, étaient

déjà étudiés par Leonardo Da Vinci en 1480. Plusieurs découvertes et inventions sur la projection

géométrique ont conduit à la création d"outils de travail pour le dessin en perspective et au dévelop-

pement des bases mathématiques régissant la géométrie descriptive. L"essor de la photographie au

XIX

esiècle a fourni un outil d"enregistrement "automatique" d"une scène, qui sera par la suite utilisé

comme support pour le travail photogrammétrique. Les premiers systèmes mécaniques de photogram-

métrie datent du début du XX esiècle, c"était le commencement de laphotogrammétrie analogique.

Par la suite, les principes mathématiques régissant la photogrammétrie ont été étudiés plus précisé-

ment, jusqu"au développement d"approches analytiques pour l"orientation des images. La naissance

de l"ordinateur et l"évolution technologique ont amené la transformation des procédures de travail

photogrammétriques mécaniques et mathématiques dans des systèmes électroniques et numériques;

c"était la naissance de laphotogrammétrie analytique, aux alentours des années '60. Finalement, le

développement technologique des dernières décennies, l"augmentation de la puissance des ordinateurs

et le développement de la photogrammétrie analytique, ont permis le passage à laphotogrammétrie

numérique[ Burtch(2007)]. Aujourd"hui, de nombreux programmes permettent de fairedes mesures

à partir d"images numériques. Ces logiciels se sont simplifiés, permettant l"emploi de la photogram-

métrie non seulement dans le domaine de la cartographie et del"industrie, mais également dans

l"architecture, l"archéologie, le génie civil et la criminalistique. Cette évolution a uni la photogram-

métrie à la modélisation 3D : à partir du moment où la positiond"un point dans l"espace est connue,

il peut être représenté dans un modèle 3D numérique. De nos jours,la modélisation 3Dest une expression qui a plusieurs significations : elle englobe

l"action d"enregistrer, d"exploiter et de présenter des données 3D. La photogrammétrie permet de

retrouver la troisième dimension depuis des informations en deux dimensions (ci-après "2D") : les

photographies. Les données résultantes du travail photogrammétrique peuvent être reproduites nu-

mériquement par des modèles 3D. Ces modèles peuvent être traités avec des logiciels de modélisation

3D, afin de les mettre au point, les rendre plus détaillés ou y ajouter une quatrième dimension, c"est-à-

dire le temps, sous la forme d"animations d"événements. Lesrésultats d"un modèle 3D sont présentés

sous la forme de plans 2D, de photomodèles

1, de vidéos ou de modèles 3D interactifs. L"utilisation de

la modélisation 3D en criminalistique date du début des années '90. Depuis, différents programmes

plus ou moins spécifiques à certaines branches comme les accidents de la circulation ou les états des

lieux se sont développés. Ces outils sont employés principalement pour aider à la démonstration : la

présentation sous la forme de modèles 3D est très convaincante, notamment parce que la forme de

représentation des données est très proche de la réalité. Les résultats de modèles 3D apparaissent

comme des représentations fidèles de la réalité, mais le sont-ils réellement? Un modèle 3D d"un lieu

est-il une représentation de celui qui le produit ou plutôt une reconstruction possible de la réalité?

Quels sont les moyens pour le réaliser? Des questions concernant la pertinence de l"utilisation de la

modélisation 3D dans certaines situations sont également mises en discussion : une reconstruction

3D est-elle toujours justifiée?

1.2 La photographie, la photogrammétrie et la modélisation

3D

Selon Martin [

Martin(2002)] le processus d"investigation sur la scène de crime comprend quatre tâches principales :

1. la sauvegarde des traces et la fixation de l"état des lieux :

1Un photomodèle est une "photographie" d"un modèle 3D.

2

Chapitre 1. Intérêt et but de la recherche

2. la recherche, le prélèvement et l"exploitation des indices;

3. la reconstitution des faits survenus lors de l"acte délictueux ou lors de l"événement;

4. l"interprétation des indices qui serviront de moyens de preuve pour le tribunal.

La première tâche comprend différentes opérations dont la prise de notes, la photographie, l"établis-

sement de plans et éventuellement l"enregistrement par d"autres moyens audio ou vidéo. La photogra-

phie est un outil essentiel pour le relevé des lieux. Il entreen jeu également dans les autres situations,

pour l"enregistrement des indices, des reconstitutions d"événements et lors de la présentation de ré-

sultats au tribunal. Mathyer [ Mathyer(1973),Mathyer(1986)] présente une revue historique et une

description de l"utilisation de la photographie dans les sciences forensiques. À côté de fonctions très

pratiques, comme les photographies signalétiques et les pièges photographiques, se trouvent la pho-

tographie géométrique, la photographie documentaire et laphotographie criminalistique. Il définit la

photographie géométrique comme toute image prise dans le but d"extraire des grandeurs des sujets

enregistrés

2. La photographie documentaire sert à fixer l"état des piècesà conviction telles qu"elles

sont reçues au laboratoire ou fixer l"état des lieux au momentde la découverte. Elle sert aussi à

illustrer et rendre plus claire une description ou une démonstration.

Plus récemment, Brambleet al.[

Brambleet al.(2001)] et ensuite Bijholdet al.

Bijholdet al.(2004)] ont fait une revue des applications de la photographie dansla crimina-

listique. L"utilisation des images est sortie des cadres courants reconnus dans la pratique judiciaire.

L"image est devenue une source d"information plus importante et elle doit être traitée commeune

trace visuelle. Elle est analysée afin d"extraire des informations supplémentaires, elle est combinée

avec d"autres indices et également discutée et écartée comme élément non pertinent. L"image est un

moyen d"enregistrement et d"illustration de tout élément lié à une enquête, un moyen de conservation

de la preuve et une méthode de découverte. Elle sert dans le processus d"identification, comme moyen didactique et de renseignement ou comme support pour des analyses. En combinant ces revues sur l"emploi de la photographie en sciences forensiques, deux utilisationquotesdbs_dbs25.pdfusesText_31

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