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La 3D en archéologie : histoire, enjeux et études de cas

Retour d’expérience sur des cas d’acquisition 3D et leurs usages en archéologie

Pascal Mora
p. 11-16

Texte intégral

Introduction

1Actuellement, deux techniques de numérisation 3D sont principalement utilisées dans le domaine des sciences archéologiques : la lasergrammétrie et la photogrammétrie, dite par corrélation dense. Ces deux techniques produisent des données 3D brutes de nature identique : des nuages de points, colorés ou non, dont la position est définie dans l’espace par des coordonnées x, y et z.

2Issue du monde industriel, la lasergrammétrie a été adoptée relativement tôt par les archéologues. Parmi quelques exemples d’applications précoces, nous pouvons citer la numérisation du colosse du phare d’Alexandrie en Égypte, réalisée en 1997 par la Société Mensi puis, quelques années plus tard, en 2003, la numérisation 3D de la grotte de Lascaux par le cabinet Perazio (Maumont 2010). Malgré tout, l’utilisation de cette technologie est longtemps restée anecdotique en raison de son coût prohibitif. À l’heure actuelle, l’offre matérielle s’est grandement diversifiée et les prix de certains types de scanner, en particulier à longue portée, deviennent plus abordables, même si la somme à débourser reste conséquente pour nombre de laboratoires.

3Il en existe plusieurs types dont le design et les performances sont adaptés à la taille du sujet à numériser et à la résolution spatiale souhaitée (sites, objets…). On trouve ainsi des scanners laser dits à longue portée, qui sont le plus souvent à technologie temps de vol et ont une résolution spatiale adaptée aux sujets de grandes dimensions (quelques centimètres à quelques millimètres), et des scanners à courte portée, qui exigent d’être près du sujet et dont la résolution peut descendre en dessous du millimètre, jusqu’à quelques dizaines de microns. On peut donc trouver un matériel adapté à la plupart des problématiques archéologiques, l’inconvénient financier majeur étant qu’il faut multiplier les appareils pour conserver une certaine polyvalence. Il faut certainement voir là l’une des principales causes de la lenteur du développement de la 3D en archéologie avant l’avènement de la photogrammétrie numérique.

4Pris au sens large, le terme « photogrammétrie » désigne un ensemble de techniques offrant la possibilité de réaliser des mesures précises à partir de documents photographiques. Bien au-delà du simple redressement d’images, la photogrammétrie par corrélation dense (ou corrélation d’images) qui nous intéresse ici permet de retrouver précisément la structure tridimensionnelle d’une scène photographiée sous plusieurs angles judicieusement choisis. Les bases théoriques de la photogrammétrie ont été posées dès la fin du xixe siècle et différents systèmes plus ou moins lourds et complexes se sont succédé pour leur mise en œuvre, mais leur résolution limitée, leur coût et leurs possibilités pratiques sont longtemps restés incompatibles avec un usage archéologique. Cependant, depuis une petite dizaine d’années, les puissances de calcul des ordinateurs individuels et l’apparition de nouveaux algorithmes d’analyse d’image ont permis une automatisation poussée du procédé, avec pour résultat une extraordinaire densification des données 3D générées. Plusieurs solutions logicielles, commerciales ou libres, ont rapidement vu le jour et l’offre est aujourd’hui très diversifiée. Les performances ne cessent de progresser au point d’être comparables, en termes de précision et de résolution, avec celles des scanners laser. Le matériel à acquérir se compose d’un simple appareil photo conventionnel pour les prises de vues, d’un ordinateur convenablement équipé pour la phase de calcul et de plusieurs mesures de référence qui permettent une mise à l’échelle précise du modèle 3D obtenu, voire son géoréférencement. Bien sûr, la qualité du résultat final dépendra grandement de la qualité, du nombre et de la pertinence des angles de vue des photographies utilisées pour le calcul.

5Le fait de pouvoir obtenir rapidement, avec un matériel léger et peu coûteux, un résultat scientifiquement exploitable, a opéré une véritable révolution dans l’utilisation de la 3D par le milieu de l’archéologie. Combiné à la baisse du coût des scanners 3D, il a conduit à une grande diversification des usages de la 3D, au point qu’elle est devenue de plus en plus répandue en archéologie. Cette tendance est liée non seulement aux données 3D elles-mêmes, qui représentent une somme d’information extrêmement complète, mais aussi aux données 2D qui en sont issues et sont d’un usage plus immédiat pour les archéologues.

6En effet, la manipulation de données 3D reste encore délicate. Elle demande un certain apprentissage d’outils spécifiques et ne constitue pas forcément le meilleur support pour l’information livrable aux chercheurs. En revanche, à partir d’un modèle 3D, il est aisé de produire une grande variété de documents comme des projections orthographiques, des coupes ou des sections qui peuvent constituer une excellente base (2D) pour établir des relevés classiques. Ainsi, par exemple, les relevés pierre à pierre ont grandement bénéficié du développement de la photogrammétrie par la réduction drastique du temps consacré aux mesures de terrain souvent très pénibles et chronophages.

Intérêts comparés des deux techniques

7Loin de vouloir opposer les deux techniques, lasergrammétrie et photogrammétrie doivent être vues comme complémentaires ; même si l’achat d’un scanner reste relativement coûteux, il est des domaines d’application où il demeure difficilement remplaçable.

8En effet, les scanners longue portée sont désormais autonomes (sans PC), d’un maniement simple (écrans tactiles) et d’un encombrement de plus en plus réduit. De plus, ils présentent un avantage indéniable sur la photogrammétrie lorsque les conditions de luminosité ne permettent pas de réaliser des prises de vues dans des conditions satisfaisantes (cas de grottes, pièces aveugles, etc.), car ils peuvent opérer dans l’obscurité totale, du moins pour ce qui est de la capture de la géométrie. Autre point important, les scanners sont calibrés et possèdent un certain nombre de capteurs que n’ont pas nécessairement les appareils photos (inclinomètre, altimètre, GPS) ; ils peuvent donc fournir directement des données à une échelle correcte et les géoréférencer, du moins localement. Les scanners de type Lidar aéroportés offrent des possibilités tout à fait intéressantes en permettant, dans une certaine mesure, un filtrage de la végétation, mais leur utilisation est encore relativement limitée dans le domaine archéologique en raison de leur coût élevé.

9La photogrammétrie, pour sa part, présente l’intérêt de pouvoir être mise en œuvre sur à peu près n’importe quel terrain, s’il est possible de l’éclairer correctement, et elle offre des possibilités de numérisation à échelles multiples. En effet, si les photographies du sujet à numériser sont de bonne qualité et d’une définition adaptée à la résolution 3D finale souhaitée, il n’y a pas vraiment de limite théorique sur la taille de la zone à traiter ni sur la résolution atteignable. Ce qui signifie qu’un même appareil photo pourra aussi bien convenir à la numérisation d’un site entier qu’à celle d’une simple pièce de monnaie, pour peu que l’on ait une ou des optiques appropriées. Dans la pratique, des difficultés dues à la profondeur de champ peuvent survenir assez rapidement dans le cas d’objets de très petite taille, mais dans l’ensemble, les possibilités couvrent largement la majorité des problématiques archéologiques. Autres points importants, la rapidité et le confort de numérisation : si l’on souhaite une résolution finale inframillimétrique, la distance de numérisation reste confortable, même pour une zone relativement étendue, du moment que le capteur utilisé est bien défini et l’optique de bonne qualité. Le fait de pouvoir utiliser une perche pour porter l’appareil photo ouvre également des perspectives intéressantes dans le cas, assez fréquent, de sites présentant des zones difficiles d’accès (en hauteur, avec peu de recul, etc.). Les zones très exiguës peuvent également être abordées par le biais de caméras de très petite taille.

10Autre avantage sur le scanner 3D, la photogrammétrie permet de coloriser les modèles 3D de façon rapide et précise, chaque point se voyant attribuer la couleur correspondant à sa position sur les photographies ayant servi à le calculer. Dans le cas d’un maillage, la couleur des faces est interpolée entre chacun de ses sommets. La définition de cette colorisation dépend donc de la densité du nuage de points mais elle aboutit à un modèle 3D colorisé avec précision et sans opération de mise en texture (projection d’une image sur le maillage 3D), fastidieuse et parfois imprécise.

11Autre caractéristique qui peut présenter un intérêt, les prises de vues peuvent, dans bien des cas, se faire à main levée, ce qui permet d’opérer dans certaines zones de fouilles très sensibles et fragiles où la pose d’un trépied lourd comme celui d’un scanner est inenvisageable.

12Dans le cas des fouilles subaquatiques, la photogrammétrie est l’une des rares techniques de numérisation 3D accessible. De tels chantiers sont bien souvent pourvus de plongeurs qui maîtrisent parfaitement la prise de vue sous-marine. Il est donc parfaitement envisageable de recourir à la photogrammétrie pour faire des relevés de sites ou d’objets immergés du moment que la visibilité le permet, ce qui réduit de façon significative les temps de plongée.

13Dans le cas de la photogrammétrie, il convient de préciser que la prise de quelques distances ou points de références au tachéomètre ou avec tout autre moyen de mesure est indispensable, pour permettre une mise à échelle correcte et/ou avec géoréférencement. Cette opération, réalisée en post-traitement, n’est en général pas problématique en soi mais elle peut constituer une source d’erreurs ou d’imprécisions.

Quelques exemples d’usage pertinent de la numérisation 3D

14Archéovision et sa cellule de transfert technologique Archéotransfert pratiquent la numérisation 3D pour leurs problématiques archéologiques depuis plus d’une dizaine d’années, que ce soit pour des objets ou des sites, pour les besoins de projets scientifiques ou pour leurs projets de valorisation. Lasergrammétrie et photogrammétrie sont utilisées indifféremment en fonction des contraintes de terrain et du livrable demandé.

15Bien que chaque demande soit unique en raison de la singularité de chaque site archéologique, on peut quand même distinguer deux principaux types de demandes : des données 3D (nuages de points, maillages) et les données 2D dérivées (ortho-images, coupes, sections, profils, etc.). Les archéologues privilégient souvent le second type de données, car elles offrent une continuité de forme avec d’autres plus traditionnelles et s’insèrent parfaitement dans le flux de leur travail sans perturber leur mode de fonctionnement habituel. Elles apparaissent donc comme des données intermédiaires qui sont conservées et vers lesquelles on peut revenir à tout moment. On peut également leur trouver d’autres applications, pour l’étude ou pour la valorisation, sans les intégrer directement au processus scientifique. Les ortho-images, qui relèvent de cette catégorie, sont les plus représentées. C’est vraisemblablement une des raisons du succès de la photogrammétrie, qui permet de générer très facilement et de manière très performante ce type de document scientifique. Dans d’autres cas, ce n’est pas le format de sortie qui décide du choix de la technique mais les contraintes de terrain qui l’orientent vers la photogrammétrie. Dans les lignes qui suivent, et sans prétendre à l’exhaustivité, nous présenterons quelques usages remarquables de la 3D qui ont apporté une aide essentielle aux recherches en archéologie.

Numérisation subaquatique

  • 1 SeARCH pour Semi automatic 3D acquisition et réassemblage du patrimoine.

16En 2008, dans le cadre du projet SeARCH1 soutenu par l’Agence nationale de la recherche (Anr), nous avons numérisé en 3D un certain nombre de blocs plus ou moins monumentaux provenant du phare d’Alexandrie en Égypte (Dutailly 2010). La plupart était dans des dépôts mais certains reposaient sous plusieurs mètres d’eau au large du fort de Qaitbay. Les scanners 3D dont nous disposions ne pouvant opérer dans ces conditions, nous avons choisi la photogrammétrie pour numériser plusieurs dizaines de blocs de statuaire et d’architecture, dont certains étaient de très grande taille et bien trop lourds pour être remontés et étudiés à terre. Des modèles 3D ont donc été calculés à partir de prises de vues sous-marines des blocs préalablement nettoyés par les plongeurs. Ces modèles ont pu être finalisés avec une précision comparable à celle obtenue pour les modèles réalisés à partir de prises de vues terrestres (fig. 1). En dehors de ces considérations de performance 3D, il s’est avéré extrêmement plus simple de passer les frontières avec un simple équipement photographique qu’avec un équipement lourd et coûteux ayant de fortes chances d’être bloqué à la douane.

Fig. 1 – Numérisation 3D in situ d’un bloc provenant d’une statue colossale du phare d’Alexandrie dans le cadre de l’Anr SeArch (photographie Laurent Borel).

17Les résultats très satisfaisants atteints à Alexandrie nous ont permis, en 2012, de poursuivre notre expérience sous-marine en Israël avec l’Institut d’études sous-marines Leon Recanati de l’Université de Haïfa, sur des épaves de bateau immergées au large d’Acres par moins de dix mètres de fond (Cvikel 2016). La faible profondeur n’était cependant pas un gage de facilité de travail car les conditions de visibilité étaient très changeantes et les fouilles devaient être menées rapidement, en raison de problèmes de conservation dus aux conditions hydrodynamiques du milieu mais aussi à cause de forts risques de pillage. Une numérisation 3D des vestiges semblait donc pouvoir répondre aux besoins de rapidité et de précision des relevés. Nous avons ainsi traité plus d’un millier de photos prises par l’équipe de plongeurs de l’Institut, avec lesquels nous avions convenu sur place d’un protocole d’acquisition adapté. Le but était d’optimiser le relevé archéologique final de l’épave, opération très pénible sous l’eau où les conditions de visibilité, la limitation des mouvements due aux équipements de plongée et la fatigue physique rendent la tâche très difficile et les erreurs fréquentes. Le résultat a permis d’obtenir un modèle 3D quasi complet, mais surtout une ortho-image de la totalité de l’épave avec une résolution de l’ordre du centimètre (fig. 2). Cette ortho-image a servi de fond de carte aux dessinateurs, ce qui a permis de repositionner correctement les relevés manuels en les complétant et de finaliser le relevé dans un temps record. Grâce au succès de cette première campagne, nous avons pu renouveler l’expérience l’année suivante en numérisant un nouvel état de la fouille.

Fig. 2 – L’épave Akko Tower Wreck (Israël) issue d’une fouille dirigée par Deborah Cvikel : modèle 3D et ortho-image calculés par Archéotransfert (d’après les photographies sous-marines faites par Amir Yurman).

Structures difficilement accessibles

  • 2 Pacea, « De la Préhistoire à l’Actuel : Culture, Environnement et Anthropologie », est une Umr ratt (...)

18La numérisation 3D de la grotte de Cussac a été proposée pour que les anthropologues du laboratoire PACEA2 puissent étudier les vestiges humains, trop éloignés de la zone de cheminement autorisée pour être mesurés (Jaubert et al. 2012). La précision et la résolution des mesures demandées étaient de l’ordre du millimètre. L’utilisation d’un scanner à bras aurait théoriquement pu convenir du point de vue de la résolution mais là encore, les vestiges se trouvaient hors de portée du matériel (la distance maximale de numérisation se situe à environ 10 cm du sujet). Un scanner longue portée aurait pu opérer depuis le cheminement mais dans ce cas, la résolution spatiale aurait été trop juste (de un à quelques millimètres) par rapport aux besoins et le risque trop grand de fournir des modèles 3D inexploitables. Nous avons donc opté pour la photogrammétrie en faisant des prises de vue avec un appareil monté sur une perche et se déclenchant à l’aide d’une télécommande, ce qui a permis de nous rapprocher du sujet et de varier suffisamment les angles de vue. Des zones jusque-là invisibles depuis le cheminement ont même pu être atteintes et reconstruites en 3D. Le modèle final couvrait plusieurs sépultures et a permis de réaliser un certain nombre de mesures sur les ossements « numériques » qui ont fait avancer l’étude des squelettes, en attendant la pose de passerelles (fig. 3).

Fig. 3 – Vue du cheminement et du modèle 3D en faible résolution d’une sépulture dans la grotte de Cussac. Un modèle 3D de plus haute résolution a été calculé et utilisé par les anthropologues pour faire des mesures sur des vestiges inaccessibles (photographie Pascal Mora).

19L’étude des panneaux gravés de cette même grotte posait un problème analogue. Certains sont en effet très étendus et partiellement ou totalement hors de portée des moyens de mesure traditionnels. Leur orientation subhorizontale et leur faible hauteur produisent un fort effet de perspective et interdisent la prise de vue photographique, procédé classique quand les conditions sont favorables. La numérisation par photogrammétrie a, dans ce cas, fourni un modèle numérique d’une résolution inframillimétrique sur une dizaine de mètres carrés. Ce modèle 3D a servi également à la réalisation d’ortho-images inédites en couleurs naturelles et en fausses couleurs, avec rehaussement des reliefs, employées avec succès à l’étude et au relevé des gravures.

Structures complexes

20Les modèles 3D sont souvent utilisés pour simplifier et faciliter la réalisation de relevés archéologiques à des fins de publication. Cette utilisation revêt tout son intérêt dans le cas de l’étude de structures archéologiques complexes (éléments de décor architectural, sculptures, fosses complexes, grottes, traces anthropiques plus ou moins discrètes, etc.) ou difficilement accessibles (murs conservés sur une élévation importante, présentant un faible recul ou un danger d’éboulement, etc.), car elle réduit considérablement les phases de mesures sur le terrain tout en conservant une grande exhaustivité dans la capture de l’information géométrique et colorimétrique. Que ce soit directement par le biais du modèle 3D ou à l’aide d’ortho-images, la numérisation 3D constitue une source d’information vers laquelle le spécialiste peut revenir à tout moment lors de son étude. Quand il s’agit d’une grotte, cette considération est encore plus déterminante car le temps de présence des chercheurs y est souvent compté et les campagnes d’études sont espacées. Il est donc appréciable de mettre en œuvre des méthodes rapides d’acquisition de données de terrain qui seront ensuite analysées en laboratoire. Dans le cas de la grotte de Bruniquel, le relevé précis des structures stalagmitiques d’origine anthropique à la géométrie très complexe (Jaubert et al. 2016) a pu être établi grâce à un relevé 3D réalisé en moins d’une journée (fig. 4). Dans de tels espaces, les possibilités de géoréférencement de l’information qu’offrent les modèles 3D peuvent revêtir un intérêt considérable. En effet, ces milieux géométriquement complexes sont étudiés depuis de nombreuses années par des spécialistes de champs disciplinaires variés, ce qui rend la synthèse et la consultation des données très fastidieuses. Même si le SIG3D n’existe pas encore véritablement, des voies de recherche sont déjà explorées pour faire du modèle 3D le point central de la documentation scientifique de sites archéologiques complexes.

Fig. 4 – Ortho-image des dépôts stalagmitiques de la grotte de Bruniquel (photographies et ortho-image Pascal Mora).

21La numérisation 3D dans les sciences archéologiques semble donc bien au-delà d’un simple phénomène de mode. Les exemples de son utilisation pertinente abondent, et elle fait désormais pleinement partie de l’équipement technique de l’archéologue. Dans la plupart des cas, elle représente un gain de temps, de productivité, de qualité ou bien encore d’exhaustivité de l’information recueillie ; elle est aussi parfois, tout simplement, la seule possibilité technique envisageable.

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Bibliographie

Cvikel D. 2016. « The 19th-Century Akko Tower Wreck, Israel: a summary of the rst two excavation seasons », The International Journal of Nautical Archaeology, 45.2 : 406-422. doi: 10.1111/1095-9270.12176.

Dutailly B., Mora P., Vergnieux R. 2010. 3D Reconstruction of Archaeological Sites Using Photogrammetry, in : A. Artusi, M. Joly, G. Lucet, D. Pitzalis, A. Ribes, Proceedings of VAST 2010: The 11th International Symposium on Virtual Reality, Archaeology and Cultural Heritage – 2010 (short & project papers). DOI = 10.2312/PE/VAST/VAST10S/045-048.

Jaubert J., Verheyden S., Genty D., Soulier M., Cheng H., Blamart D., Burlet C., Camus H., Delaby S., Deldicque D., Lawrence Edwards R., Ferrier C., Lacrampe-Cuyaubère F., Lévêque F., Maksud F., Mora P., Muth X., Régnier E., Rouzaud J.-N.& Santos F. 2016. « Early Neanderthal constructions deep in Bruniquel Cave in southwestern France », Nature, 534, 02 June 2016 : 111-114.

Jaubert J., Aujoulat N., Courtaud P., Deguilloux M.-F., Delluc M., Denis A., Duday H., Dutailly B., Ferrier C., Feruglio V., Fourment N., Geneste J.-M., Genty D., Goutas N., Henry-Gambier D., Kervazo B., Klaric L., Lastennet R., Lévêque F., Malaurent P., Mallye J.-B., Mora P., Pemonge M.-H., Peyraube N., Peyroux M., Plisson H., Portais J.-Ch., Valladas H., Vergnieux R., Villotte S. 2012. « Le projet collectif de recherche “Grotte de Cussac” (Dordogne, France) : étude d’une cavité ornée à vestiges humains du Gravettien », in : J. Clottes (éd.), L’art pléistocène dans le monde / Pleistocene art of the world / Arte pleistoceno en el mundo, Actes du Congrès IFRAO, Tarascon-sur-Ariège, septembre 2010, Société Préhistorique Ariège-Pyrénées, Tarascon-sur-Ariège.

Maumont M. 2010. « L’espace 3D : de la photogrammétrie à la lasergrammétrie. Art rupestre : la 3D un outil de médiation du réel invisible ? », In Situ revue des patrimoines, 13 : [en ligne] mis en ligne le 16 avril 2012, consulté le 02 novembre 2016. URL : http://insitu.revues.org/6413 ; DOI : 10.4000/insitu.6413.

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Notes

1 SeARCH pour Semi automatic 3D acquisition et réassemblage du patrimoine.

2 Pacea, « De la Préhistoire à l’Actuel : Culture, Environnement et Anthropologie », est une Umr rattachée au Cnrs, à l’Université de Bordeaux et au ministère de la Culture et de la Communication. Elle est associée à l’Inrap par convention-cadre.

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Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Numérisation 3D in situ d’un bloc provenant d’une statue colossale du phare d’Alexandrie dans le cadre de l’Anr SeArch (photographie Laurent Borel).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3821/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 320k
Légende Fig. 2 – L’épave Akko Tower Wreck (Israël) issue d’une fouille dirigée par Deborah Cvikel : modèle 3D et ortho-image calculés par Archéotransfert (d’après les photographies sous-marines faites par Amir Yurman).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3821/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 484k
Légende Fig. 3 – Vue du cheminement et du modèle 3D en faible résolution d’une sépulture dans la grotte de Cussac. Un modèle 3D de plus haute résolution a été calculé et utilisé par les anthropologues pour faire des mesures sur des vestiges inaccessibles (photographie Pascal Mora).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3821/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 528k
Légende Fig. 4 – Ortho-image des dépôts stalagmitiques de la grotte de Bruniquel (photographies et ortho-image Pascal Mora).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3821/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 479k
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Pour citer cet article

Référence papier

Pascal Mora, « Retour d’expérience sur des cas d’acquisition 3D et leurs usages en archéologie », Les nouvelles de l'archéologie, 146 | 2016, 11-16.

Référence électronique

Pascal Mora, « Retour d’expérience sur des cas d’acquisition 3D et leurs usages en archéologie », Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 146 | 2016, mis en ligne le 29 janvier 2018, consulté le 20 février 2018. URL : http://journals.openedition.org/nda/3821 ; DOI : 10.4000/nda.3821

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Auteur

Pascal Mora

Archéotransfert / Archéovision, Cnrs, Ums 3657, Université Bordeaux-Montaigne, Archéopôle d’Aquitaine, Esplanade des Antilles, 33607 Pessac Cedex,
pascal.mora@u-bordeaux-montaigne.fr
Cellule de Transfert Technologique de l'Ums Archéovision, département de l'Adera (Association pour le Développement de l’Enseignement et des Recherches auprès des universités, des centres de recherches et des entreprises d’Aquitaine).

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Droits d’auteur

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