D5 Photogrammétrie et reconstruction cinématique 3D

Topique

La photogrammétrie à haute vitesse est la technique qui permet de reconstruire la forme tridimensionnelle et la cinématique du corps d'un poisson à partir d'images synchronisées capturées par plusieurs caméras à haute vitesse capables d'enregistrer entre 500 et 10 000 images par seconde. Contrairement à la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) décrite précédemment, qui mesure le mouvement du fluide autour du poisson, la photogrammétrie à haute vitesse mesure le mouvement du corps du poisson lui-même.

Pour reconstruire la forme tridimensionnelle du corps du poisson, la photogrammétrie à haute vitesse utilise deux approches : soit elle détecte des points de contrôle sur le corps du poisson (marqueurs peints sur la peau ou repères anatomiques reconnaissables) et les triangule stéréoscopiquement, de la même manière que la position d'un poisson entier est triangulée lors du suivi de la nage en 3D décrit précédemment ; soit elle reconstruit la silhouette complète du corps du poisson à partir des silhouettes que celui-ci projette sur chacune des caméras.

Dans cette seconde approche, chaque caméra définit un cône visuel : la région de l’espace qui, projetée sur cette caméra, se situe à l’intérieur de la silhouette du corps du poisson telle qu’elle apparaît sur son image. L’intersection des cônes visuels de toutes les caméras définit le volume visuel du corps du poisson, c’est-à-dire le volume maximal compatible, simultanément, avec toutes les silhouettes observées par les différentes caméras.

Pour obtenir la cinématique complète du corps du poisson, la photogrammétrie à haute vitesse répète cette reconstruction de la forme à chaque image successive et suit la position de chaque point ou segment corporel au fil du temps. La déformation de la surface du corps du poisson lorsqu’il nage, appelée onde cinématique, est quantifiée en ajustant un modèle de surface déformable au nuage de points issu de la reconstruction à chaque instant.

À partir de la cinématique corporelle tridimensionnelle, l'amplitude de l'onde se propageant le long du corps du poisson est calculée en chaque point et à chaque instant, ainsi que la vitesse de propagation de cette onde, le nombre de Strouhal et les autres paramètres de propulsion pertinents. Combinée à la dynamique des fluides numérique décrite précédemment dans cette série, la photogrammétrie à haute vitesse fournit précisément les conditions aux limites de déformation corporelle nécessaires à la simulation pour calculer les forces hydrodynamiques résultantes s'exerçant sur le poisson.

L'avantage de reconstruire cette cinématique corporelle en trois dimensions, plutôt que dans le seul plan latéral, est qu'elle révèle les mouvements du poisson hors de ce plan, mouvements qu'une analyse latérale bidimensionnelle sous-estime ou ne détecte tout simplement pas – un phénomène particulièrement visible lors des virages ou lorsque le poisson nage dans un courant perturbé. Ainsi, la même photogrammétrie à haute vitesse qui, au début de ce modèle, était décrite comme une technique capable de mesurer le mouvement du corps solide du poisson, et non seulement du fluide qui l'entoure, finit par révéler une multitude de mouvements corporels que les techniques de suivi bidimensionnelles plus simples ne permettent pas de déceler.

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