La numérisation photographique au service de l’épigraphie

L’usage des technologies 3D (lasergrammétrie, photogrammétrie, RTI, visites virtuelles, etc.) connaît un fort développement depuis plus d’une dizaine d’années maintenant dans le domaine de l’archéologie. De la pièce de monnaie au bâtiment, du simple relevé à l’étude tracéologique, les éléments concernés et les applications sont nombreux. Si ces outils et techniques sont assez couramment employés en épigraphie antique et particulièrement dans le monde méditerranéen, cela ne semble pas encore être le cas en épigraphie médiévale. Les applications potentielles sont pourtant nombreuses pour des inscriptions gravées ou peintes caractérisées par un relief négatif ou positif aussi infime soit-il.

Nous présentons ici quelques essais de numérisation d’inscriptions lapidaires par photogrammétrie et Reflectance Transformation Imaging (RTI) réalisés dans le cadre d’une présentation de ces outils à des chercheurs du CESCM, mais aussi d’une réflexion autour de leurs apports et limites, ainsi que de la pertinence de leur mise en œuvre dans la chaîne opératoire épigraphique.

Photogrammétrie

Cette technique, qui repose sur le principe de la vision stéréoscopique, permet de calculer le relief d’une scène à partir de points de vue légèrement différents (chez l’homme, ce sont ses deux yeux). Concrètement la photogrammétrie permet de créer un modèle numérique 3D à partir d’un jeu plus ou moins grand de photographies d’un objet, d’un bâtiment ou d’un paysage. L’acquisition des clichés, réalisée suivant un protocole particulier, doit être adaptée à l’élément numérisé, ainsi qu’à la problématique et à la résolution souhaitée du projet.

La prise de vues doit prendre en compte trois éléments principaux :

  • la stabilité de la scène : il convient par exemple d’éviter le passage de personnes devant un bâtiment ou dans le cas d’un élément mobilier veiller à ce qu’il ne bouge pas et que l’arrière-plan soit uni, net ou le moins variable possible ;
  • la luminosité : l’éclairage est certainement le paramètre le plus difficile à maîtriser en dehors d’une acquisition en studio ; plusieurs facteurs (la variation de l’éclairage au cours de la journée, le passage de nuages, la prise de vue à contre-jour, un éclairage artificiel, etc.) peuvent perturber la prise de vue et donc avoir une incidence sur la qualité des images ;
  • le maillage photographique : la photogrammétrie repose sur l’identification de pixels sur plusieurs images, ce qui implique :
    • de ne pas jouer sur le zoom et de garder une distance constante à l’objet afin que chaque élément soit représenté par le même nombre de pixel : par exemple si un élément est représenté par 10 pixels sur une première image et 5 pixels sur la suivante avec une différence de colorimétrie, le logiciel aura des difficultés à reconnaître qu’il s’agit de la même chose et s’il y parvient se calera probablement sur la résolution la plus basse ;
    • un recouvrement important (de l’ordre de 70 à 80 %) entre les images de sorte à ce que chaque élément soit visible sur le plus grand nombre d’entre elles.

En résumé, cette phase doit être planifiée à l’avance, homogène et la plus rapide possible afin de réduire les variations des conditions de prise de vues qui pourraient entraîner une diminution de l’homogénéité ou de la qualité des images, et partant celle du modèle 3D. La stratégie de prise de vues doit être adaptée à l’objet numérisé (canevas, distance, nombre de clichés, etc.) et tendre vers l’exhaustivité.

La figure ci-dessous montre le recouvrement des trois premières bandes de six clichés de la partie haute de la dalle funéraire d’Hilaire Macé conservée à l’entrée de l’église Saint-Porchaire à Poitiers ; l’acquisition a été réalisée en quelques minutes, en mode portrait, avec un téléphone portable Samsung A10 dont le capteur photographique a une résolution de 12 millions de pixels. On notera d’abord le recouvrement important entre les clichés d’une même bande et d’une bande à l’autre ; in fine, chaque point de la dalle funéraire figure sur trois à quatre vues. On remarquera aussi la différence de teinte entre les premières images de la bande supérieure (bleutées) et celles d’en dessous (crèmes/rosées) résultant de l’éclairage naturel venant de la gauche, de l’ombre de l’arcade et du point de vue de l’appareil photo.

Principe de recouvrement par bande des photographies (D. Morleghem, 2020)

Le traitement des images, réalisé sur le logiciel Agisoft Metashape (logiciel sous licence payante ; il existe de nombreuses autres solutions commerciales ou libres, interfacées ou par commande, ou encore en ligne), comprend cinq étapes principales :

  • l’alignement des photos : le logiciel reconnaît d’abord sur chaque image des points caractéristiques, puis cherche à établir des correspondances entre les différentes images ; il en résulte un premier nuage de points épars que l’on peut contrôler et qui servira de base à la suite du traitement ;
  • la construction d’un nuage de points dense dont la résolution peut atteindre 0,1 mm ;
  • la construction d’un maillage : le logiciel établit des lignes joignant les points entre eux de sorte à former des triangles qui correspondront à autant de facettes formant la surface du modèle numérique ;
  • l’application d’une texture : le logiciel « couvre » le modèle surfacique avec le jeu de clichés, suivant une méthode adaptée à la géométrie de l’objet, d’où l’importance de la qualité et de l’homogénéité des vues afin d’éviter des zones floues ou un effet patchwork ;
  • la mise à l’échelle : une mire posée à côté ou une mesure connue (longueur ou largeur par exemple) de l’objet permet de le mettre à l’échelle, permettant ainsi la prise de mesure directement sur le modèle numérique.
Positionnement des clichés par rapport au modèle numérique de la dalle d’Hilaire Macé, vue écran du logiciel Metashape (D. Morleghem, 2020)
Modèle numérique de la dalle funéraire d’Hilaire Macé ; de bas en haut : nuage de points épars, modèle filaire, modèle surfacique, modèle texturé (D. Morleghem, 2020)

La qualité finale du modèle numérique est dépendante de la qualité des photographies (résolution et netteté surtout), du canevas de prise de vues, mais aussi du paramétrage du logiciel de photogrammétrie. Cet exemple de numérisation avec un Smartphone témoigne de la solidité de la méthode et la pluralité des moyens qui peuvent être mis en œuvre, même si l’utilisation d’un appareil photo numérique avec une haute résolution et de clichés au format .raw post-traités doit être privilégiée pour obtenir un modèle 3D le plus qualitatif possible.

Des ortho-images peuvent être exportées pour documenter directement l’inscription ou servir de base à un relevé sur ordinateur. Ce type de document présente deux atouts : l’absence de déformation angulaire (chaque point est vu perpendiculairement à la surface de l’objet) et une résolution globale bien supérieure à celle d’un cliché unique.

Photographie en contre-plongée et ortho-image de l’inscription du Saint-Sépulcre (C. Dussart et D. Morleghem, 2020)
La figure ci-contre correspond à une inscription située en hauteur dans un renfoncement du Saint-Sépulcre qui n’a pu être photographiée qu’à distance par Clément Dussart (doctorant, CESCM), en contre-plongée et avec une faible variation du point de vue. Si la partie gauche est assez nette, la présence de tâches verdâtres et de trous d’altération de la pierre à droite empêchent a priori de déchiffrer la suite de l’inscription. Cinq clichés ont suffi à réaliser un modèle numérique, sans déformation géométrique apparente, à partir duquel une ortho-image haute définition a pu être extraite. Bien que la partie détériorée n’ait pu être reconstituée et livrer plus d’informations, cette image offre au moins une vue de face non déformée de l’inscription, d’une haute résolution et qui peut servir de base à un relevé.
 

Le modèle numérique réalisé peut également être exporté et utilisé sur d’autres logiciels de visualisation et traitement 3D : les principaux que nous utilisons sont Meshlab, Cloudcompare et Gigamesh, dont la prise en main est assez aisée et qui ont l’avantage d’être gratuits.

L’exemple ci-dessous est celui de l’inscription funéraire de saint Macaire provenant du prieuré du Roussay (Maine-et-Loire) et datée du 12e s., dont l’étude épigraphique est en cours par Cécile Treffort (professeure, CESCM). La prise de vue a été effectuée à l’aide d’un Nikon D-5100 (16 millions de pixels) et le modèle peut être visualisé via ce lien. Le jeu de données est constitué d’un premier lot de 30 clichés couvrant toutes les faces sauf celle du dessous, et d’un second lot de 12 clichés plus resserrés de la face inscrite. Le nuage de points construit compte 18 millions de points et a une résolution de 0,1 mm. Si la prise de vues a été rapide, le calcul du modèle et les traitements 3D ont pris plus d’une journée de travail.

Dans le cadre de l’étude tracéologique, des traitements 3D simples ont été réalisés sur le logiciel Gigamesh. En premier lieu un plan de référence a été établi en arrière de la surface inscrite, à partir duquel nous avons calculé d’une part la distance à la surface du modèle numérique, d’autre part l’angle de chaque face du modèle par rapport à ce plan de référence.

Vues générales réelle et numériques de l’inscription de saint Macaire (L.-O. Crosland et D. Morleghem, 2020)

Le premier constat, visuel, est celui d’une meilleure lisibilité du rendu « angulaire » qui permet de faire abstraction de l’érosion du bloc et des taches sombres. La carte de profondeur indique que la gravure n’est pas homogène sur l’ensemble de l’inscription, des variations de l’ordre du demi-millimètre au millimètre étant perceptibles par exemple au niveau du trait vertical (entre les lignes 1 et 3), du C ou du R de MACARII (ligne 1) ou du second B de ABB(AT)IS (ligne 2). La carte des angles rend quant à elle compte, indépendamment de la profondeur de la gravure, d’une homogénéité dans les profils des lettres et des traits, en forme de V à fond très arrondi voire plat.

Les mots de l’inscription sont séparés par des triples points. Aucun point n’a toutefois été repéré entre les mots abrégés CORP(US) et H(IC) (ligne 3) lors de l’examen visuel ; seules deux taches sombres sont visibles entre les deux mots. Deux trous circulaires superposés apparaissent clairement sur le modèle 3D ; il ne s’agit pas, comme on peut l’observer ailleurs sur le bloc, de cavités créées par érosion naturelle. Le fait qu’il n’y ait que deux points peut s’expliquer par le manque de place, l’abréviation de CORP(US) empêchant de placer et bien répartir les trois points de séparation. Faute de place le lapicide a certainement abandonné la gravure de ces points, ce qui pourrait expliquer leur faible profondeur.

Différence de lisibilité entre l’observation à l’œil nu et le modèle numérique (L.-O. Crosland et D. Morleghem, 2020)

Le modèle numérique présente ici deux autres intérêts majeurs :

  • celui d’abord de révéler des éléments pas ou peu visibles à l’œil nu, comme des éléments de ponctuation ou des tracés préparatoires par exemple ;
  • celui ensuite de contribuer à l’étude tracéologique grâce à un niveau de détail permettant de profiler précisément les sillons des lettres et de mieux appréhender le geste technique.

Reflectance Transformation Imaging (RTI)

La Reflectance Transformation Imaging ou RTI est une méthode photographique développée au début des années 2000 par le Cultural Heritage Imaging. Cette technique permet à partir d’un ensemble de photographies prises depuis un même point de vue, mais en faisant varier la source de lumière, de produire une image dynamique qui révèle les reliefs et aspérités d’une surface. Elle peut ainsi être appliquée à des inscriptions gravées ou des tracés d’épure sur tout type de supports, autant qu’à des manuscrits ; elle permet de mettre en lumière des tracés préparatoires, des éléments effacés volontairement (dans le cadre d’une réinscription par exemple) ou par érosion. Les logiciels RTIbuilder et RTIviewer sont librement utilisables et permettent respectivement, comme leurs noms l’indiquent, de construire l’image dynamique et de visualiser le résultat.

Si l’usage de dômes automatisés est relativement courant pour les petits objets comme les monnaies, la technique peut être mise en œuvre assez simplement avec un appareil sur trépied, un flash déporté, une télécommande pour le déclenchement des vues et des sphères de référence permettant d’identifier l’origine de l’éclairage. Le protocole de prise de vue est assez simple :

  • l’appareil photo doit être installé en s’assurant de sa stabilité et de sorte à cadrer l’objet que l’on souhaite étudier et les sphères de référence ;
  • la source lumineuse doit être située à une distance constante correspondant à trois à quatre fois la diagonale de l’objet numérisé ; elle est déplacée de bas en haut trois à quatre fois le long de l’arc de cercle ainsi formé, entre 15° et 65° d’angle d’incidence (A) ; l’opération est réitérée en tournant autour de l’objet (B ; soit tous les 11,25° ou 22,5°).
Principe de prise de vues de la technique RTI (Guide to highlight Image Capture, Cultural Heritage Imaging, 2013)

Le traitement des images est rapide et simplifié par une interface très claire ; il se fait en quatre étapes :

  • le chargement des images (A) ;
  • l’identification sur une image d’une sphère que le logiciel ira reconnaître et sélectionner sur les autres clichés (B) ;
  • la reconnaissance automatique sur chaque image de l’origine de l’éclairage (C) ;
  • la création de l’image dynamique (D).
Vues écran des étapes de traitement des images dans le logiciel RTIbuilder (D. Morleghem, 2020)

Nous avons effectué un premier test de cette technique avec Clément Dussart sur une toute petite inscription médiévale (2 cm de hauteur environ) gravée sur un des piliers de l’église Saint-Hilaire-le-Grand à Poitiers, pour laquelle la photogrammétrie n’apparaissait pas adaptée. La situation en hauteur de l’inscription a induit une certaine irrégularité dans le positionnement des flashs déportés, mais n’a pas eu d’incidence trop importante sur le résultat final. Dans le logiciel de visualisation, le déplacement virtuel de la source d’éclairage et les différentes options de visualisation mettent bien en évidence les reliefs positifs et négatifs de la pierre à une échelle inframillimétrique.

Vue écran du logiciel RTIviewer (D. Morleghem, 2020)

Toutefois, le cadrage trop large a réduit la résolution de l’inscription proprement dite, ce qui a quelque peu limité l’analyse. Les nombreuses rayures traversant l’inscription limitent encore sa lecture. Pour l’heure, le texte n’a pu être déchiffré davantage que ce qui était visible à l’œil nu. Un nouvel essai sera prochainement effectué afin de vérifier si une plus haute résolution et une plus grande régularité dans le positionnement des flashs permettent de lire cette inscription ou si elle restera indéchiffrable.

Atouts, limites et applications de la numérisation photographique

La mise en lumière d’éléments invisibles ou très peu perceptibles à l’œil nu est certainement l’apport principal de la photogrammétrie et de la RTI. Ces techniques ont ainsi toute leur place dans la boîte à outils de l’épigraphiste, en complément des méthodes d’investigation traditionnelles (observation, relevés manuels, etc.). Leurs applications sont multiples :

  • documentation sous la forme d’ortho-images ou de modèles numériques ;
  • traitements 3D apportant des données nouvelles ;
  • étude épigraphique et tracéologique proprement dite ;
  • conservation dans le cas d’inscriptions en cours de dégradation par exemple ;
  • valorisation.

La facilité et la rapidité d’acquisition des images à l’aide d’un matériel léger et relativement peu onéreux d’une part, de traitement à travers des logiciels interfacés très ergonomiques d’autre part, constituent les atouts majeurs de ces techniques aujourd’hui à la portée de tous les chercheurs. Néanmoins, leur utilisation nécessite une rigueur importante tout au long de la chaîne opératoire, depuis la définition de la problématique du relevé jusqu’à l’analyse des différents livrables (modèles 3D et ortho-images bruts ou traités). À la rapidité de la prise de vue peut être opposée la durée parfois très longue (plusieurs heures voire journées) du traitement sur ordinateur (modélisation puis traitements 3D). Si les ordinateurs portables de type bureautique permettent aujourd’hui de mener à bien les projets de petite taille, l’investissement dans des unités de calcul dédiées, par définition beaucoup plus coûteuses, s’avère indispensable pour les projets plus conséquents et dans le cadre d’un usage fréquent. Un autre élément important à prendre en compte est le poids des fichiers (clichés en .raw et .jpeg, fichiers Agisoft Metashape, modèles 3D, ortho-images, etc.), qui varie entre quelques centaines de Mo et plusieurs Go pour les projets les plus importants (par exemple 3 Go pour l’inscription de saint Macaire et 435 Mo pour le projet RTI).

Il convient donc avant de mettre en œuvre ces techniques photographiques de s’interroger sur le bénéfice informatif par rapport à l’investissement en temps et en moyens matériels et humains. En effet, cela n’aurait pas de sens de numériser une inscription très clairement lisible et ne présentant aucun signe d’altération ou de reprise ; une photographie ou un dessin peuvent être suffisants. Par ailleurs la numérisation ne doit pas se substituer à l’examen visuel préliminaire d’un pan de mur ou d’un bloc, mais bien intervenir dans un second temps afin de lever un doute sur une lecture ou mettre en lumière des lettres effacées par exemple.

La numérisation photographique rend accessible des inscriptions jusqu’alors hors de portée, qu’elles soient situées en hauteur, dans des endroits exigus ou dans un lieu où l’on ne peut pas revenir librement. Elle permet la création d’un double numérique que l’on peut rapporter avec soi et examiner sous tous les angles (sans les contraintes de poids du bloc ou d’ancrage dans une maçonnerie…) au laboratoire, mais que l’on peut aussi transmettre à des collègues, des logiciels et services d’annotations en ligne permettant alors une étude collective et quasiment en temps réel. Par ailleurs, la systématisation de la numérisation n’apparaît pertinente que dans le cas de projets d’inventaire à l’échelle d’un site ou d’un territoire.

Enfin, l’exemple du Saint-Sépulcre a montré qu’une série de clichés pouvait être ré-exploitée pour produire des ortho-images, avec certaines limites inhérentes au nombre, à la diversité et à la qualité des vues initiales. Dans quelques rares cas l’utilisation de clichés anciens en noir et blanc pourrait également être envisagée pour reconstituer une inscription disparue ou abimée, les deux principales limites étant la couverture photographique et la qualité des clichés.


Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.