Développement d'une technique d'imagerie à plage dynamique étendue au sein d'un système multi-caméras

Abstract

La population mondiale suit une tendance à la croissance. Cette augmentation implique une pression alimentaire grandissante. Une des réponses apportées à cette problématique est l'optimisation des cultures utilisées et des traitements appliqués. A cette fin, l'étude des plantes et de leurs caractéristiques observables (le phénotype) est de plus en plus présente dans le domaine agricole ainsi que son automatisation. Le phénotypage instrumenté consiste en l'adjonction de capteurs permettant le suivi des cultures tout au long de leur croissance. Parmi les capteurs utilisés, les caméras prennent part à la tâche. L'imagerie permet non seulement d'avoir une vue d'ensemble de la culture mais également des propriétés optiques et géométriques du plant. Il est par exemple possible de connaître la hauteur des cultures, la taille des fruits, des feuilles ainsi que l'absorption ou la réflexion de la lumière dans certaines longueurs d'ondes indicatrices d'un état de la plante.

Ce projet tente de profiter d'une nouvelle technique d'imagerie: la technique de plage étendue (en anglais, High Dynamic Range: HDR). Elle permet la création d'images pourvues d'une plus grande profondeur de couleur et d'un meilleur contraste. Elles sont plus particulièrement intéressantes dans le suivi des cultures sur toute leur hauteur, du pied aux épis des plants. Un problème apparaît lors de la prise de clichés soumis à de grands contrastes, il est difficilement possible de capturer exactement l'entièreté de la scène. La technique HDR permet de pallier à ce problème en combinant différentes images prises avec l'intention de capturer exactement une seule partie de l'image (faiblement, modérément, fortement éclairée) pour en former une seule exacte partout. D'aussi forts contrastes sont présents au niveau des couverts végétaux comme ceux d'une culture. La partie supérieure est fortement éclairée par sa pleine exposition à la lumière, là où les tiges et les pieds des plants sont de plus en plus dans l'ombre en descendant. Afin de créer ces images, trois techniques sont étudiées: Debevec, Robertson et Mertens. Ces méthodes sont étudiées dans ce travail et appliquées au suivi de culture de froment d'hiver. Ce projet propose un choix de techniques ainsi que sa meilleure mise en place au suivi des cultures de froment d'hiver.

Les essais sont réalisés sur deux champs expérimentaux, le champ principal est situé à Lonzée et le second est sur le campus universitaire de l'ULiège à Gembloux, tous deux dans la province de Namur en Belgique. Le premier champ étudie le comportement des cultures en fonction d'un traitement sur l'azote en combinaison avec un traitement fongique de différentes modalités. Le second étudie sur une période de 100 ans, l'évolution des cultures en fonction de l'apport en intrants minéraux (NPK).

Ce travail tente d'optimiser les différents paramètres et étapes à la capture de clichés HDR. Le premier passe par le choix de la méthode de synchronisation de capture. La meilleure méthode sélectionnée est celle de la fonctionnalité "Action Command" issue du protocole de communication. Ensuite, la calibration des caméras est vérifiée. A cette fin, la balance des blancs est réalisée dans les conditions expérimentales; la meilleure définition de l'auto-exposition est étudiée ainsi que son application aux caméras. Des corrections communes comme la distorsion et le vignettage sont traitées respectivement par une détection de damiers dans l'image et la méthode de Flat Field.

Au final, la meilleure sélection de mise au point, d'ouverture du diaphragme et d'auto exposition est discutée. Il ressort que la mise au point atteint une butée physique du matériel et pourrait être améliorée par un choix d'une autre optique; une ouverture maximale est préférable; une auto exposition avec une cible de saturation de 10\% est souhaitable comme étalon. La visibilité des maladies n'est pas optimale par les choix de matériel et de la hauteur de prise des clichés. Il serait préférable de choisir un capteur avec une taille plus grande et/ou une optique plutôt de type téléobjectif. Un palliatif a été de baisser les caméras. Concernant la meilleure méthode HDR, celle de Mertens ressort par ses performances supérieures ainsi qu'à sa simplicité d'utilisation et d'optimisation.