Wetzlar (Royaume de Prusse), 1858. L’architecte et géomètre Albrecht Meydenbauer, 24 ans, s’extrait d’une caisse en bois, suspendue par des cordes au-dessus du vide. Il a préféré celle-ci à un échafaudage pour réaliser un relevé de la façade de l’église Notre-Dame de Wetzlar (dôme de Wetzlar). Alors qu’il pose son pied sur le rebord de l’une des fenêtres, il glisse, perd l’équilibre, propulsant sa nacelle de fortune en arrière, et le laissant dans une situation particulièrement précaire. Refusant de dégringoler vers un destin funeste, il parvient à orienter sa chute en direction d’une fenêtre ouverte en contrebas, finissant sa course sur les marches d’un escalier intérieur en colimaçon. Après avoir repris connaissance, Meydenbauer commence alors à se demander s’il n’existe pas un moyen moins dangereux de mesurer les parties inaccessibles d’un édifice.

Comment en arrive-t-on à risquer sa vie pour mesurer une façade ? Cette question trouve une partie de sa réponse dans le fait que l’on veut garder une trace de ce que l’on aime. Et Meydenbauer n’est ni le premier, ni le seul. Cette envie est plus ancienne que lui.

L’architecte, qui a consacré sa carrière à documenter en plus de 20 000 clichés le patrimoine architectural de Berlin et ses alentours, est l’un des pionniers des relevés photographiques d’architecture. À cette époque, les géomètres utilisent la photographie pour documenter leur travail, mais la prise de mesures restait encore un travail de terrain, manuel et laborieux. Meydenbauer eut l’idée d’appliquer les principes de la géométrie projective, non pas au tracé de plans depuis la rue, comme il était d’usage, mais d’en renverser le principe pour extraire indirectement les mesures d’une photographie.

De l’Antiquité à la Renaissance, sur les traces de la perspective

On suppose qu’Aristote utilisait déjà le principe de la chambre noire (camera obscura) au IVe siècle avant notre ère. Dans une pièce plongée dans l’obscurité, l’image du disque solaire se projette sur une surface plane située en face d’une paroi comportant un petit trou (sténopé). Utile pour observer les éclipses, ce principe sera régulièrement mentionné au cours des siècles suivants par divers scientifiques et philosophes à travers le monde.

Au XVe siècle, Filippo Brunelleschi présente une méthode géométrique permettant de peindre avec précision une portion observée de la réalité. Cette période fera avancer considérablement la compréhension de la perspective, dont Léonard de Vinci donne la description suivante :

La perspective n’est rien d’autre que la vision d’une scène derrière une vitre plane et transparente sur laquelle on marque tous les objets situés de l’autre côté : ils peuvent être reliés au centre de l’œil par des pyramides, et ces pyramides sont interceptées par la vitre.

Au siècle suivant, Albrecht Dürer invente un dispositif qui permet à l’artiste de reporter précisément sur son dessin ce qu’il observe. Pour cela, il touche, un point après l’autre, les détails de son sujet à l’aide d’une baguette reliée par une cordelette à un point fixe derrière lui. Il reporte alors sur le dessin la position de la cordelette correspondante. Nous verrons que ce geste restera utilisé jusqu’à récemment.

Mais c’est au XIXe siècle que l’on fait un bond en avant dans la représentation fidèle de la réalité, en mettant au point le procédé permettant de figer l’image qui se forme dans une chambre noire, c’est l’invention de la photographie (du grec photos : lumière, et graphein : peindre, dessiner, écrire. Littéralement peindre avec la lumière) grâce aux travaux de Nièpce, Daguerre et Talbot.

Dès lors, chaque instant peut être immortalisé. Le dessin, la peinture, la gravure, la sculpture, ont permis d’interpréter le réel à travers le regard et la main de l’artiste, mais la photographie fixe l’image reçue sur une plaque ou un film, que l’œil de l’observateur soit présent ou non. L’instrument est dit objectif, et permet à chacun de garder une trace de ce qu’il aime.

Tandis que le jeune Meydenbauer imagine les méthodes géométriques pour mesurer le patrimoine architectural sans se mettre en danger, à Paris, Aimé Laussedat travaille depuis 1845 sur une méthode permettant de prendre des mesures sur des photographies de paysages. Il invente le procédé qu’il nomme en 1861 Métrophotographie (du grec ancien metron, “mesure, règle, longueur, grandeur”).
Preuve que l’idée était dans l’air, Meydenbauer arrive à une méthode comparable à celle de Laussedat, sans le connaître, et la nomme dans un article de 1867 Photogrammétrie (utilisant les mêmes racines grecques, et affinant, sur conseil du géographe Otto Kersten, les termes temporaires photographometrie, ou photometrographie). Cette technique se généralise, puis est réellement industrialisée en Allemagne, principalement dans l’architecture avec la création d’un Institut Photogrammétrique (Messbildanstalt) en 1885 sous la direction de Meydenbauer. Une équipe d’opérateurs allait pouvoir reporter les points à la main depuis chacune des plaques photographiques, pour documenter le patrimoine bâti.

C’est donc la photographie qui déclencha cette nouvelle salve d’innovations. Mais pour l’instant, la photographie n’est qu’un autre moyen de projeter le monde réel sur un plan en deux dimensions. Comment retrouver la profondeur, le relief, et donc les distances à partir de la photo ?

La troisième dimension

Pour comprendre simplement pourquoi un deuxième point de vue suffit à retrouver la troisième dimension, je vous propose une simple expérience. Tendez le bras devant vous, fermez un œil, puis pointez du doigt un objet éloigné. À présent, en restant immobile, changez d’œil. Vous observez que votre doigt ne pointe plus exactement sur l’objet que vous aviez désigné. Il existe un décalage entre le point de vue de nos deux yeux, et deux objets alignés ne le sont plus si on change de point de vue, c’est la parallaxe.

C’est précisément cet écartement entre nos deux yeux qui permet à notre cerveau de reconstituer la profondeur, le relief à partir de ces deux points de vue. On parle alors de vision stéréoscopique (du grec stéréo, corps solide et par extension “en relief”, et scope, vision). On avance souvent que cette vision en relief (que l’on retrouve également chez la plupart des prédateurs), ait permis à nos ancêtres primates une vie arboricole, dans laquelle la bonne perception des distances entre branches (ou entre une nacelle et un rebord de fenêtre) peut s’avérer vitale !

La stéréoscopie naît presque en même temps que la photographie. Le physicien anglais Charles Wheatstone travaille sur la vision binoculaire et présente en 1838 un appareil permettant d’observer des dessins en relief grâce à des miroirs inclinables. Peu après, il fait réaliser les premières photographies stéréoscopiques par Talbot en 1840.

Jacques Babinet, en 1858 dans la Revue des Deux Mondes, décrit ainsi le stéréoscope : « instrument qui montre tous les objets en relief,[…] ainsi, le dessin devient une statue ». Au début du XXe siècle, de nombreux voyageurs et explorateurs s’équipent d’appareils photo stéréoscopiques (appareils photo avec deux objectifs accolés), ce qui nous laisse aujourd’hui une quantité conséquente de témoignages en relief de cette époque.

C’est également la combinaison de la photographie avec l’aviation qui permet à la cartographie de progresser, en particulier dans la représentation des reliefs.

Les travaux de l’autrichien Erwin Kruppa au début du XXe siècle ont permis de décrire mathématiquement la position relative de deux photos dans l’espace, si on sait identifier 5 points communs sur ces deux images. Le principe de triangulation nous permet ensuite d’en tirer la position dans l’espace de tout point identifié sur les deux images. À partir de là, photographier un même sujet sous plusieurs angles nous permet a posteriori de reconstituer la scène en volumes, et de mesurer.

L’arrivée de l’électronique, puis de l’informatique, va révolutionner la photographie, comme bien d’autres domaines. Le nombre de prises de vue n’est plus contraint par l’aspect matériel, la prise de vue et la visualisation sont instantanées, et l’ordinateur va nous aider à conserver et traiter toutes ces informations. Mais l’ordinateur remplace l’outil, pas la main. Chaque pixel qui compose chaque photographie devient la mémoire d’un rayon qui provient d’un espace tridimensionnel mesurable.

Mesurer, un pixel après l’autre

La première fois qu’un bâtiment en 3D sort de mes photos, c’est la chapelle de Cruzille à Châtenoy-le-Royal (Saône-et-Loire) en 2007. C’est le sujet de mon projet de fin d’études, et le moment où j’apprends les méthodes de restitution virtuelle à partir de photographies, m’inspirant des travaux de Livio De Luca (CNRS, MAP), et de Paul Debevec (SIGGRAPH 1996). C’est aussi le sujet qui lance ma carrière et me permettra de numériser pendant près d’une décennie des dizaines d’édifices et objets archéologiques à travers l’Europe.

Mon projet le plus marquant restera le travail de photogrammétrie de l’abbaye clunisienne de Romainmôtier (Suisse) en 2009. Plus de 3000 photos ont été nécessaires pour saisir chaque détail de l’un des plus anciens monastères de Suisse, fondé au Ve siècle (puis repris au Xe siècle par l’abbaye de Cluny qui fait ériger l’église actuelle).

Pour les photos de l’intérieur, afin de limiter le nombre d’images différentes à devoir charger simultanément, je travaille avec des images panoramiques à 360 degrés. Pour les obtenir, l’appareil photo est placé sur un dispositif qui le fait pivoter autour de son centre optique, permettant à deux images successives de se recouvrir parfaitement. La parallaxe est ainsi annulée dans une image panoramique, puis retrouvée entre deux images panoramiques prises de deux endroits différents.

Chaque image panoramique est composée d’une trentaine de photographies que je combine en une seule image de plus de 300 millions de pixels. En réalisant une image de ce type au centre de chacune des sections colorées sur le plan de l’église (parfois à plusieurs hauteurs différentes), j’obtiens suffisamment d’informations pour modéliser chaque détail architectural.

Quelques années seulement avant la démocratisation des drones qui rendent l’accès facile à la photo aérienne, je fais le choix (judicieux, si l’on en juge par les mésaventures de Meydenbauer) d’utiliser un petit échafaudage pour accéder aux parties hautes, et de chercher des points de vue stables surplombant l’église pour les parties extérieures.

Si la campagne photographique se déroule sans encombre, ce n’est là qu’une infime partie du travail qui reste à accomplir. En effet, à la fin des années 2000, la principale méthode à ma disposition est la photogrammétrie manuelle, à l’aide du logiciel Autodesk ImageModeler. En affichant deux photographies côte à côte, je repère au moins cinq points communs aux deux images. Zoomant au maximum, je clique sur le pixel de chacune qui représente le même point du sujet photographié, à la manière de Dürer tirant sa cordelette. Lorsque ces cinq points de correspondance sont établis, le logiciel est capable de déduire de cette information, ainsi que des caractéristiques de l’appareil photo utilisé, l’endroit d’où a été prise la photo. Chaque point supplémentaire que j’ajoute sur ces images désormais calibrées peut servir de repère 3D pour créer le modèle numérique du bâtiment.

Afin de numériser un édifice entier (intérieur + extérieur), il faut donc que chaque détail soit vu sur au moins deux photographies, et que chacune des centaines de photographies du projet ait été référencée dans l’espace 3D. Pour cela, j’indique manuellement, de proche en proche, et d’image en image, quels points (angle de fenêtre, détail d’une pierre ou autre, en bleu sur l’image ci-dessus) sont identiques d’une photo à l’autre. Je me souviens, sans trop de nostalgie, d’avoir pu passer une journée entière à zoomer sur un gravillon plus clair que ses voisins pour être certain qu’il s’agit bien du même individu que sur les vingt photos précédentes ! L’ordinateur ne sait pas que c’est le même gravillon, c’est à moi de le lui indiquer.

À partir de là, ma scène est prête pour commencer la modélisation proprement dite (la création des volumes, le modèle 3D). Je dessine, en utilisant deux (ou plus) points de vue simultanément, les formes géométriques qui représentent la surface visible de chaque élément architectural (les lignes blanches sur l’image ci-dessus). Cette opération étant également entièrement manuelle, je me limite aux formes générales du bâtiment. Modéliser le moindre relief et le moindre détail serait infaisable en un temps humainement raisonnable.

L’un des intérêts majeurs de cette méthode (outre la rapidité de l’acquisition photographique, par rapport à un relevé laser par exemple), est de pouvoir utiliser les portions d’images comme textures pour le modèle 3D. J’obtiens ainsi un rendu réaliste, contenant chaque détail visuel de la photographie, sans avoir à créer une géométrie détaillée. Une géométrie simple, une texture riche.

Deux jours sur le terrain, et plus de six mois à temps plein devant un écran. À ce rythme, la méthode manuelle ne me permettra de réaliser qu’une poignée de bâtiments dans une vie…

Si l’on examine l’image précédente de près, on remarque quelques zones noires (dessus des piliers, bas des vitraux de la travée centrale). Il s’agit des quelques zones qui étaient masquées sur les photographies, cachées par un élément en premier plan, ou simplement inaccessibles. Elles représentent des zones d’informations manquantes.

Les angles morts, ou comment voir d’en haut

Notre mémoire oublie, comble les trous. La photographie, elle, n’oublie rien, elle capture le réel, et nous offre la mémoire d’un rayon de lumière pour mesurer et représenter ce que l’on souhaite garder, préserver. Mais dans le même temps, elle n’invente rien, elle ne montre que ce qu’elle a enregistré, et si le photographe manque certains points de vue, on ne saura pas les reconstituer après coup.

Depuis la chute de Meydenbauer à Wetzlar, on cherche à voir d’en haut sans monter. Il existe des mâts sur lesquels on attache l’appareil photo pour prendre un peu de hauteur. Nadar s’élevait au-dessus de Paris en ballon pour photographier la ville. L’aviation a permis de quadriller le ciel pour cartographier nos territoires, puis l’aventure spatiale a placé des appareils photo en orbite de notre planète. Mais depuis plus de dix ans, la démocratisation des drones permet d’accéder à tous les points de vue nécessaires pour numériser un édifice, permettant même de planifier à l’avance les trajectoires de l’appareil et laisser le drone se diriger tout seul. Magique.

Le prix de la mesure

La photogrammétrie nous permet de mesurer un édifice complexe comme une église abbatiale, sans nous mettre en danger. Plus besoin de monter ! Le prix a changé de nature, il ne se paie plus en risque physique, mais en temps et en patience devant un écran, à reconnaître les mêmes pixels d’une photo à l’autre.

Et si la machine pouvait reconnaître elle-même ce qu’elle regarde ?

Nous ferons prochainement un premier pas vers la réponse dans l’épisode 2 (Un ballon au-dessus de Cluny) de la série « Les machines rêvent-elles d’abbayes ? »

À suivre…

Sources :

Albrecht Meydenbauer

• Albrecht Meydenbauer Wikipedia
• Albrecht Meydenbauer: Die Photometrographie. In: Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin. Jg. 1, 1867, Nr. 14, S. 125–126 (Digitalisat); Nr. 15, S. 139–140 (Digitalisat); Nr. 16, S. 149–150 (Digitalisat).
• Jones, E. L., « The Art of Measuring Images », Drawing Matter Journal n°2, 2023 Lien
• Meyer, R. (dir.), Albrecht Meydenbauer: Baukunst in historischen Fotografien, Leipzig, VEB Fotokinoverlag, 1985, p. 15-16 (journal de Meydenbauer, d’après la note 4 de Jones).
• Bildarchiv Foto Marburg, Meydenbauers Messbildverfahren

Laussedat, Nadar

• Polidori, L., « On Laussedat’s contribution to the emergence of photogrammetry », ISPRS Archives XLIII-B2, 2020, p. 893 (PDF).
• Brevet de Nadar, 23 octobre 1858, Archives INPI.
• Honoré Daumier, Nadar élevant la Photographie à la hauteur de l’Art, lithographie, Le Boulevard, 25 mai 1862 (imprimeur Bertauts). National Gallery of Art.

Lieux

• Notice de la Chapelle de Cruzille (Saône-et-Loire) sur la base Mérimée
• L’abbatiale de Romainmôtier (Suisse), Wikipedia
• Le dôme de Wetzlar, Wikipedia

Perspective

• The Literary Works of Leonardo da Vinci, éd. Jean Paul Richter, 1883. Texte anglais : « Perspective is nothing else than seeing place or objects behind a plane of glass, quite transparent… » (fromoldbooks, item 83).
• Dürer, Underweysung der Messung, Nuremberg, 1525 (fiche du Met).
• Kruppa, E., « Zur Ermittlung eines Objektes aus zwei Perspektiven mit innerer Orientierung », Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften in Wien, 1913 Traduction

Stéréoscopie

• Wheatstone, C., « Contributions to the Physiology of Vision. Part the First. On Some Remarkable, and Hitherto Unobserved, Phenomena of Binocular Vision », Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 128, 1838, p. 371-394 (lu le 21 juin 1838). stereosite.com
• Babinet, J., article sur le stéréoscope, Revue des Deux Mondes, 1858
• Drawing Matter Journal, « The Stereoautograph

Photogrammétrie

• Grimm, A., « The Origin of the Term Photogrammetry » ISPRS.
• Debevec, P. E., Taylor, C. J., Malik, J., « Modeling and Rendering Architecture from Photographs: A Hybrid Geometry- and Image-Based Approach », SIGGRAPH ‘96 Proceedings, août 1996, La Nouvelle-Orléans.Berkeley
• Et bien sûr, l’ouvrage de référence qui m’a accompagné pendant ma carrière: Livio DE LUCA, La photomodélisation architecturale : relevé, modélisation et représentation d’édifices à partir de photographies. Eyrolles, 2009. 264 p. ISBN 978-2-212-12524-5.