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Technologie

Jean-Michel Prima - 24/03/2017

Un meilleur logiciel pour estimer les champs de vent

Pierre Derian, équipe Fluminance

Conçu à Inria, Typhoon est un programme de vision par ordinateur qui extrait des vecteurs de mouvement d'une séquence d'images de flux comme par exemple les photos satellites de météo. Utilisé récemment par l'université de Californie Chico pour mesurer des champs de vent basse altitude à partir d'images produites par un lidar, ce logiciel innovant commence à intéresser l'industrie. Il peut contribuer à identifier les meilleurs champs de vent pour les fermes éoliennes ou encore la dispersion atmosphérique de polluants.

« En deux mots, Typhoon permet d'observer et de mesurer des mouvements de fluides à partir de séquences d'images , explique Pierre Dérian , le chercheur qui a développé ce logiciel durant sa thèse au sein de l'équipe Fluminance, au centre Inria Rennes - Bretagne Atlantique. Il s'inscrit dans une gamme d'outils développés depuis maintenant une trentaine d'années pour des gens qui travaillent sur la météorologie, l'océanographie, l'aérodynamique, etc. Bien qu'on ne puisse pas voir les écoulements proprement dit, ces derniers transportent toutes sortes de marqueurs qui, eux, sont visibles : des poussières, de la fumée ou encore des nuages. En observant leur déplacement, on a donc des renseignements sur le mouvement des fluides. Notre logiciel automatise ce traitement pour estimer ces champs de vitesse par analyse d'images. »

Le nouvel algorithme arrive dans le prolongement de précédents outils développés au sein de Fluminance par les chercheurs Étienne Mémin et Thomas Corpetti. « Ils ont adopté une approche un peu moderne par rapport aux techniques classiques que l'on retrouve dans les logiciels commerciaux, y compris les systèmes de mesure de vitesse par imagerie de particules (PIV) utilisés en particulier dans les laboratoires. La technique classique, dite de corrélation croisée, consiste à prendre une petite fenêtre dans la première image et à chercher le déplacement de ce petit morceau dans l'image suivante. On obtient un premier vecteur lié au déplacement de fluide. Pour couvrir un champ complet, il faut beaucoup de vecteurs. Donc beaucoup de petites fenêtres. »   Ce qui n'est pas un problème en soi : « ces calculs sont faciles à paralléliser.»   En revanche, « s'il existe un manque d'information localement dans l'image, cette méthode-là ne va pas s'en sortir. Par ailleurs, elle souffre aussi d'une certaine imprécision, sa grille de vecteurs étant moins fine que l'image. Enfin, elle fonctionne bien pour les mesures de particules en laboratoire, mais convient moins pour les images de scalaires en extérieur : les colorants, la fumée, l'eau de mer, les nuages, etc. »

À l'inverse, « au lieu de gérer une série de petites fenêtres dans l'image, l'approche dite "dense" englobe tout le champ d'un seul coup. Elle donne tous les vecteurs de déplacement dans l'image »  simultanément.  L'avantage ?  « Cette méthode permet de pallier le manque d'information par endroits car elle sait ce qui se passe dans les zones voisines. »

Typhoon adopte cette technique mais l'améliore en utilisant un formalisme mathématique qu'on appelle les ondelettes. Entre autres avantages, « elles donnent, de manière naturelle, un cadre multirésolution qui s'accorde bien avec la nature multiéchelle de la dynamique des fluides. On pourrait en quelque sorte comparer la reconstruction de l'écoulement, représenté par des ondelettes multiéchelles, à une Google Map où les détails sont ajoutés à mesure que l'on zoome. »

Mesurer le déplacement de la pollution

Depuis trois ans, le logiciel sert pour traiter des images provenant de la télédétection laser par lidar. Situé en Californie, à l'université de Chico, et porté par le scientifique Shane Mayor , le REAL est un lidar conçu pour observer le déplacement des particules aérosols  : les poussières, les fumées, les pollens ou encore les polluants générés par les activités humaines. Installé dans deux conteneurs de 6 m sur la remorque d'un camion, ce faisceau permet d'observer les déplacements des particules, et ainsi estimer le vent en basse atmosphère, une zone riche en aérosols mais difficile à analyser par satellite car les nuages croisent habituellement à des altitudes plus élevées. Lors d'une série d'expériences, une étude a montré que Typhoon surclasse les techniques de corrélations croisées car il produit des détails d'une plus grande finesse.

Le logiciel se trouve encore au stade de prototype, mais deux licences commerciales ont déjà été accordées. Premier client : Spectral Sensor Solutions (S3), une start-up de Virginie qui travaille sur SAMPLE, un lidar plus petit et monté sur un pickup. Deuxième acheteur : Space Dynamics Laboratory (SDL), une entité de la Fondation de recherche de l'université de l'Utah qui s'intéresse également à l'estimation des champs de vents par lidar.

Cela dit, Typhoon pourrait aussi servir dans d'autres contextes. « L'USGS, le Laboratoire de géomorphologie et d'études du transport des sédiments de l'Institut d'études géologiques des États-Unis a aussi obtenu une licence. Ils effectuent des recherches sur les crues. Ils font voler des drones au-dessus des rivières et se servent de Typhoon pour extraire les courants de surface à partir d'images par infrarouge. Ils n'ont pas encore publié, mais nous sommes impatients de connaître les performances du logiciel. »  À noter pour finir qu'une version de démonstration en application web est accessible sur la plate-forme A||go d'Inria.

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Mots-clés : Pierre Dérian INRIA Rennes - Bretagne Atlantique Fluminance Champs de vent Irstea Logiciel

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