Outils de Traitement d’Images Appliqués au Milieu Aquatique

Descriptif général du projet

OTIAMA est un projet BQR 2011 de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour (UPPA). Sa durée est d’une année, d’octobre 2011 à septembre 2012. Sa thématique principale est le traitement d’images, reconnaissance de formes et suivi d’objets en mouvement appliqués au milieu halieutique. Il est la concrétisation d’une collaboration entre le laboratoire d’informatique LIUPPA et la fédération de recherche MIRA, plus exactement les laboratoires ECOBIOP, LMAP, LRHA et SIAME (équipe IVS). Au travers de ces laboratoires, ce sont l’UPPA, l’IFREMER, et l’INRA qui participent à ce projet.

Le projet peut être découpé en trois sous-projets, correspondant à trois domaines d’application différents. Chaque sous-projet se base sensiblement sur les mêmes outils informatiques et de traitement d’images, mais avec des verrous technologiques différents à lever, et donc des calibrations très différentes. Les domaines d’application sont :

• détection de contours et caractérisation de palourdes (LRHA – LMAP – LIUPPA) ;
• suivi et dénombrement de civelles (ECOBIOP – LIUPPA)
• suivi de l’hydrodynamique et de la morphodynamique des plages d’Anglet, suivi du panache de l’Adour (SIAME/IVS – LIUPPA)

L’objectif scientifique principal du projet est d’arriver à adapter les outils d’extraction de contours et de suivi (tracking) choisis, aux contraintes spatiales et temporelles très variées de ces trois domaines d’applications. D’un point de vue spatial, les conditions de prise de photos ou vidéo, qui sont un élément clé pour l’extraction de contours et la détection de mouvement, sont très différentes : pratiquement invariantes pour les photos de palourdes, rythme diurne et forte variation des couleurs des marqueurs pour les civelles, rythme diurne, saisonnier, changement de météorologie et de couleurs pour le suivi des mouvements de vagues ou de panache de l’Adour… La maîtrise de cette variabilité de conditions est clairement un des verrous technologiques à lever dans ce projet. D’un point de vue temporel, le suivi de civelles se fait sur quelques minutes, voire quelques heures, alors que le suivi par exemple d’un trait de côte se fait sur plusieurs mois, voire des années complètes. La vitesse de déplacement des objets à suivre est elle aussi un facteur prépondérant dans la calibration des outils de capture. Là encore, nous sommes face à un défi à relever. Enfin, le traitement de la grande masse d’information générée par toutes les captures vidéos, et la recherche de caractéristiques similaires dans toutes ces données (fouille de données) est là encore un enjeu scientifique du projet.

 

Membres du projet

LIUPPA

• ARNOULD Philippe (MCF)
• GALLON Laurent (MCF, Porteur du projet OTIAMA)LUTHON Franck (PR)
• NAVARRO Xabi (MCF)

LRHA

• CAILL-MILLY Nathalie (CR Ifremer, Directrice du laboratoire)
• ECOBIOP
• BARDONNET Agnès (DR Inra, Directrice du laboratoire)
• BOLLIET Valérie (MC HDR, Directrice adjointe du laboratoire)

LMAP

• BRU Noëlle (MC)
• ODUNLAMI Marc (IE)

SIAME/IVS

• ABADIE Stéphane (PR, responsable de l’équipe IVS)
• MARON Philippe (MC)
• MORICHON Denis (MC)

 

Détails des sous-projets

 

1. Détection de contours et caractérisation de palourdes

Descriptif

Une des activités du LRHA est l’étude de la dynamique de populations marines. Ces travaux sont développés dans le but de mieux connaître l’évolution de ces populations et de contribuer à leur gestion durable par les avis et expertises émis par l’Institut. Parmi les espèces étudiées à Anglet, la palourde japonaise (Ruditapes philippinarum) fait l’objet de travaux de recherche développés en appui à l’expertise. Ces travaux concernent la biologie, l’étude des relations entre le milieu et la ressource et la modélisation de ces phénomènes en partenariat avec l’UPPA, l’Université de Bordeaux et l’AZTI (Espagne). Ils s’appuient pour l’essentiel sur des expérimentations sur le terrain et des campagnes d’évaluation de stock.

Pour ces dernières, à un rythme bisannuel, les moyens humains mis en œuvre sont importants (campagne de 18 jours avec 2 à 3 scientifiques embarqués). Pour des raisons de temps, les mesures morphométriques à bord se limitent à la longueur; d’autres mesures (largeur, hauteur, contours…) sont effectuées dans un second temps en laboratoire sur un échantillonnage des prélèvements. Cette opération est coûteuse en temps car elle est actuellement répétée pour chaque individu (système TNPC sous Noesis). Nous ne disposons pas d’outil permettant de traiter un groupe d’individus en même temps. Seuls des collègues de l’Ifremer de Brest réalisent, pour un autre bivalve (la telline), une estimation de la longueur à partir d’une approximation par ellipse. Le projet proposé vise par conséquent à développer et tester une nouvelle technique de dénombrements et de prises de mesures, et ce de manière automatisée sur un ensemble d’individus (ici des palourdes) à partir de clichés de groupes. La technique serait aussi utile lors de suivis de croissance opérés sur des cages immergées et pour le suivi d’autres espèces ayant une mesure antéropostérieure toujours supérieure (quel que soit l’âge) à la mesure dorso-ventrale (exemple telline). Le gain de temps et la quantité d’individus mesurés seraient alors considérables.

L’extraction du contour de chaque individu (palourde) se fera à partir de snakes (contours actifs), techniques issues du domaine du traitement d’images médicales, de la robotique, ou de la reconnaissance faciale. Un snake est un ensemble de points que l’on « positionne » sur une photographie, et que l’on fait converger vers le contour de la forme à extraire sur l’image. Ainsi, à la fin de la convergence, on obtient une suite de point (coordonnées) permettant de caractériser la forme, qui permet d’obtenir, en plus du dénombrement, les métriques choisies (dans notre cas, longueur, hauteur, surface, …). Toute la difficulté (verrou) est d’arriver à faire converger le snake sur le bon contour à extraire (définition et validation de l’énergie dîte externe).

Les informations recueillies par la technique de traitement automatique des images proposées seront calibrées par des mesures en laboratoire. L’ensemble des informations ainsi recueillies permettra de compléter les résultats préalables sur la caractérisation des palourdes dans le bassin d’Arcachon, résultats issus d’une collaboration entre le LRHA et le LMAP.

Dans l’hypothèse où ces travaux s’avèrent concluant, ils pourront être rapprochés d’autres travaux de recherche menés dans le cadre de Mira sur l’étude de la morphométrie et la mise au point d’outils de mesure automatisée d’aires ou de distance. Cette évolution permettra de renforcer les collaborations informelles existants entre LRHA, LMAP et ECOBIOP. Ainsi, il pourra être envisagé de travailler sur un nombre important d’individus pour comparer leur forme par rapport à des contours de référence, et les classifier (reconnaître les individus). Cette phase d’évaluation du système de caractérisation se basera sur les techniques utilisées dans les systèmes biométriques (reconnaissance faciale, de voix, d’empreinte digitale). Il s’agit donc de construire un pont entre des thématiques de recherche très actuelles en sécurité informatique (biométrie), et les préoccupations de la fédération MIRA sur la morphométrie des coquillages.

Participants

ARNOULD Philippe (LIUPPA), BRU Noëlle (LMAP), CAILL-MILLY Nathalie (LRHA), GALLON Laurent (LIUPPA), ODUNLAMI Marc (LMAP)

 

2. Suivi et dénombrement de civelles

Descriptif

Le laboratoire ECOBIOP étudie le comportement des poissons et son rôle sur le fonctionnement et l’évolution des populations naturelles. Parmi les espèces étudiées, on trouve l’anguille, et plus particulièrement la civelle. Le laboratoire étudie, en milieu expérimental, le comportement des civelles dans les estuaires en fonction des marées. Pour cela, un certains nombre d’individus sont marqués, puis introduits dans le milieu expérimental. Ainsi, pendant toute la durée de simulation du rythme des marées, des séquences vidéo sont constituées. Une problématique majeure de ce projet est l’extraction d’informations afin de caractériser l’activité des individus. A ce jour, cette phase d’extraction n’est pas automatisée : les expérimentateurs doivent visionner chaque séquence en vue d’extraire les informations qui leur semblent pertinentes. Aussi, nous souhaitons appliquer les techniques classiques de tracking d’objet sur ces séquences afin d’automatiser l’extraction des informations nécessaires aux traitements mathématiques résultants.

Plusieurs points délicats sont à signaler. Tout d’abord, pour le moment, la variabilité de la couleur des marqueurs des civelles est relativement modeste, ce qui rend parfois la différentiation entre plusieurs individus délicate. De plus, une trop grande variabilité des couleurs peut faire apparaître des difficultés de détection automatiques. Les conditions changeantes de prise de vue (rythme diurne) est aussi un facteur important. Aussi, une étude sur les modèles de couleurs est envisagée afin d’augmenter le nombre de couleurs pour le marquage, tout en conservant une facilité de détection automatique.

Ensuite, le suivi automatique des civelles (et plus particulièrement le mouvement des marqueurs), se fera en utilisant des snakes (contours actifs). Cependant, il y a fort à parier que certains mouvements des individus provoqueront des difficultés de suivi. Aussi, il faudra donc être capable de signaler les cas pour lesquels l’outil n’est pas capable de suivre correctement l’individu. Toute l’efficacité de l’outil reposera sur la minimisation de ce critère (validation expérimentale).

L’automatisation de l’extraction des informations pour caractériser l’activité des individus est une phase de la chaîne de traitements relative à une expérience. La saisie des séquences vidéo est effectuée en amont de cette phase d’extraction et l’analyse mathématique des informations extraites est effectuée en aval. Afin de constituer un cycle d’expérimentations, il convient de relier les résultats d’une expérience à la définition de nouveaux paramètres pour la saisie des séquences vidéo propre à l’expérience suivante ; de la sorte, une expérience tiendra compte des résultats observés sur l’expérience précédente. Pour cela, il convient de définir un système d’informations contenant les paramètres de saisie, les informations extraites des séquences et des informations sur les résultats mathématiques, … Un tel système d’informations est alors le socle d’un outil informatique sur lequel peuvent s’appuyer les expérimentateurs du laboratoire ECOBIOP.

Participants

BARDONNET Agnès (ECOBIOP), BOLLIET Valérie (ECOBIOP), LUTHON Franck (LIUPPA), NAVARRO Xabi (LIUPPA)

 

3. Suivi des plages d’Anglet et du panache de l’Adour

Descriptif

Le groupe IVS du laboratoire SIAME travaille sur l’hydrodynamique et la dynamique sédimentaire de l’embouchure de l’Adour et des plages adjacentes depuis un peu plus d’une dizaine d’années :

Une partie de ces travaux porte sur la caractérisation du panache de l’Adour et de sa zone d’influence à partir de moyens de télédétection couvrant différentes échelles spatio-temporelles (images satellite MODIS, stations vidéo terrestres). Un modèle numérique du panache à partir d’un code 3D (MOHID) est de plus en cours de développement. Il permet de simuler les processus physiques contrôlant la dynamique d’un panache fluvial. Ces travaux font naturellement écho au sein de MIRA car la dynamique physique de l’Adour est un point clé pour la compréhension de l’écosystème global.

En parallèle, IVS s’intéresse également à la dynamique côtière à l’échelle d’une plage et notamment aux phénomènes de mouvements sableux, interactions avec les ouvrages, submersion qui peuvent intervenir lors d’évènements extrêmes de type tempêtes. Outre les travaux déjà publiés sur ces sujets, une thèse sur la modélisation de l’impact des tempêtes sur les plages sableuses est actuellement en cours de réalisation avec l’AZTI. Sur le volet observation, des mesures horaires de la houle directionnelle sont réalisées depuis 2009 au large de Biarritz en collaboration avec le CETMEF (réseau CANDHIS).

Le Le cadre nouveau de la « Station Marine » (MIRA appartient au réseau national des stations marines RESOMAR (INSU)) associée à la transformation de la cellule CASAGEC en bureau d’étude privé (dont l’observation locale était un des objectifs), engage IVS à une politique plus volontaire dans ces domaines. En particulier, l’une des idées d’IVS est de développer à terme un dispositif d’observations systématiques du site atelier « Embouchure de l’Adour et plages adjacentes » pour mettre en place ce que l’on pourrait appeler un « canal à houle à ciel ouvert » dans lequel diverses thématiques pourraient être abordées.

Dans ce contexte, outre d’autres installations qui ne relèvent pas de ce projet, IVS souhaite disposer à nouveau d’un système d’observation vidéo pérenne du site atelier précédemment évoqué, l’ancien système ayant cessé de fonctionné en 2008. Sur la partie Nord du site, un système piloté par l’UMR EPOC est déjà en place et permet d’acquérir des données. Nous souhaitons compléter ce dispositif par un second système au sud du site qui pourrait être mis en place dans le courant de l’année. L’application des méthodes de mesures vidéo sur le littoral est basée sur les techniques de photogrammétrie, convertissant les informations obtenues d’une image oblique vers une image plane et géoréférencée. La méthode la plus simple d’obtenir une projection horizontale du trait de côte est de fusionner et rectifier les images vidéo des différentes caméras sur un plan horizontal dont l’élévation correspond au niveau de la mer. Sur ces images, des applications de détection automatique de contours permettent d’automatiser le tracking et de faciliter l’étude par la suite de la dynamique de ces contours. En terme pratique, dans le présent projet, ces contours peuvent être aussi bien le trait de côte, les crêtes de vagues, la ligne d’eau ou le panache de l’Adour. On comprend donc l’intérêt d’un telle technique qui permet de disposer de données en quantité qui peuvent ensuite être utilisées pour valider les diverses modélisations numériques. De même, la détection et le suivi de traceurs locaux particuliers (mousses, objets flottants) permet également de calculer la cinématique de l’écoulement à la manière d’une mesure PIV classique (Particle Image Velocimetry : vitesse locale de l’écoulement) en canal à houle. De ce point de vue, les outils que le LIUPPA se propose de développer intéressent fortement IVS, et seront expérimentés et adaptés au cadre précédemment décrit.

Participants

ABADIE Stéphane (SIAME/IVS), GALLON Laurent (LIUPPA), MARON Philippe (SIAME/IVS), MORICHON Denis (SIAME/IVS)