D2 Suivi de natation 3D

Topique

Le suivi de nage 3D est une technique qui reconstruit les trajectoires tridimensionnelles de poissons individuels ou de bancs de poissons à partir de séquences d'images capturées simultanément par plusieurs caméras synchronisées, chacune observant le poisson sous un angle différent. Le principe physique de cette reconstruction repose sur la triangulation stéréoscopique : la position tridimensionnelle d'un point sur le corps du poisson est obtenue par l'intersection des rayons optiques définissant la projection de ce point sur au moins deux caméras calibrées. Ce calcul utilise la géométrie épipolaire, qui relie les images des deux caméras, ainsi que les matrices de projection obtenues par chaque caméra lors d'un étalonnage préalable sur une cible de points de position connue.

Lorsque le suivi de nage 3D est appliqué à un banc de poissons plutôt qu'à un poisson isolé, la reconstruction se heurte également à un problème d'affectation : pour chaque paire d'images consécutives, la technique doit associer chaque détection à l'instant présent au poisson correspondant à l'instant précédent. Cette affectation est résolue en minimisant un coût global qui combine la distance entre les positions et la cohérence avec la vitesse de chaque poisson. Pour résoudre au mieux cette problématique, même en présence de bruit inhérent au processus de détection, un filtre de Kalman est utilisé. Ce filtre prédit la position future de chaque poisson à partir de sa vitesse estimée, puis corrige cette prédiction grâce à la nouvelle détection, en pondérant plus ou moins la prédiction ou la mesure selon la fiabilité de l'information à un instant donné.

Une fois reconstruites, ces trajectoires tridimensionnelles permettent le calcul direct des paramètres cinématiques de la nage de chaque poisson (sa vitesse, son accélération, son angle de virage et le rayon de sa trajectoire) et, dans le cas d'un banc, des paramètres cinématiques de l'ensemble du groupe : le degré d'alignement du banc, la distribution des vitesses relatives entre les individus voisins et les fonctions décrivant la corrélation entre les mouvements d'un poisson et ceux des poissons environnants. En combinant ces trajectoires tridimensionnelles avec des mesures d'accéléromètre, il est également possible d'estimer la sinuosité et le coût énergétique du transport du poisson directement dans son milieu naturel, sans avoir recours aux conditions contrôlées d'un canal de laboratoire.

Le principal avantage de la reconstruction de la trajectoire en trois dimensions réside dans la mise en évidence des différences entre la trajectoire théorique suivie par le poisson (la ligne droite reliant son point de départ à son point d'arrivée) et la trajectoire réelle, différences que le suivi bidimensionnel ne peut détecter car il ignore les variations de profondeur. Cette différence est particulièrement marquée chez les espèces dont la profondeur varie considérablement lors de la nage, auquel cas le suivi de la nage en 3D, décrit au début de ce modèle comme une technique de reconstruction des trajectoires tridimensionnelles, s'avère indispensable pour ne pas sous-estimer l'amplitude et la nature des déplacements réels du poisson.

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