D10 Vision par ordinateur des formations

Topique

Un système multicaméra synchronisé, associé à des algorithmes de vision par ordinateur, permet de reconstituer le mouvement tridimensionnel d'une volée entière, oiseau par oiseau, au lieu de simplement décrire le comportement moyen du groupe. Cette reconstruction tridimensionnelle du mouvement de la volée est la méthode qui permet l'observation directe des niveaux aérodynamiques individuels et collectifs d'une formation en vol, ainsi que des anomalies qui apparaissent lorsque cette formation se disperse en réponse à une perturbation extérieure.

Le principal défi technique de ce système multicaméra synchronisé est le suivi individuel de chaque oiseau au sein de la volée : une scène comportant des dizaines, voire des centaines d'oiseaux se déplaçant rapidement, dont beaucoup sont partiellement cachés par d'autres à un instant donné, exige que les algorithmes de vision par ordinateur soient capables de suivre l'identité de chaque oiseau d'une image à l'autre sans le confondre avec ses voisins. Les systèmes actuels relèvent déjà ce défi technique à grande échelle : le système développé par Cavagna et ses collaborateurs, qui combine dix caméras synchronisées capturant 170 images par seconde, parvient à déterminer les trajectoires individuelles de chaque oiseau au sein de volées pouvant compter jusqu’à 2 000 étourneaux. À partir de ces trajectoires individuelles, la méthode calcule toutes les variables collectives nécessaires au simulateur. La première est la distance entre voisins, c’est-à-dire la séparation que chaque oiseau maintient avec les oiseaux les plus proches de la volée à un instant donné. Cette mesure permet de valider directement la manière dont chaque oiseau ajuste sa position par rapport à ses voisins au sein de la formation de vol collective.

La seconde variable collective est le paramètre d’ordre de Vicsek lui-même, de même ordre de grandeur, qui résume le degré d’alignement des directions de vol de tous les oiseaux de la volée à un instant donné. Calculé directement à partir des trajectoires individuelles fournies par cette méthode, le paramètre d’ordre de Vicsek décrit l’état général de la formation de vol collective à tout moment, sans qu’il soit nécessaire de l’inférer indirectement.

La troisième variable collective est la géométrie de la formation en V que forment certains groupes, comme les oies : en mesurant directement la position relative de chaque oiseau au sein de ce V, la méthode permet de vérifier si chaque oiseau occupe bien la position optimale par rapport à celui qui le précède – la position depuis laquelle il bénéficie du champ de vorticité généré par ce dernier en vol.

La quatrième variable collective est la vitesse de propagation des perturbations au sein du groupe : en mesurant le temps nécessaire à une perturbation affectant un oiseau pour atteindre ses voisins, puis les voisins de ces voisins, la méthode calcule cette vitesse de propagation directement à partir des trajectoires de vol individuelles. Chez les étourneaux, cette vitesse de propagation dépasse la vitesse de vol individuelle de chaque oiseau. Cette vitesse de propagation constitue précisément l'indicateur diagnostique de la robustesse du système collectif face à une perturbation de la formation : plus une perturbation se propage rapidement au sein du groupe, plus celui-ci peut se réorganiser rapidement pour retrouver son ordre.

En combinant la distance entre voisins, le paramètre d'ordre de Vicsek, la géométrie V et la vitesse de propagation des perturbations, cette reconstruction tridimensionnelle du mouvement du vol, obtenue entièrement à partir du suivi individuel des oiseaux par vision par ordinateur, permet une validation directe et sans ambiguïté de toutes les variables collectives qui décrivent à la fois une formation de vol intacte et une formation en cours de récupération après une perturbation.

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