Dossier Techniques de modélisation avancée : Reconstruire les objets scannés

Le scan 3D d'objets par saisie laser ou par projection de motifs lumineux génère de grandes quantités de points sous forme de nuages. De nombreuses techniques existent pour filtrer et éditer ces nuages et reconstituer des surfaces géométriques optimisées.

Deux techniques de scan 3D laser existent, par triangulation et par temps de vol. La technique par mesure du temps de vol est utilisée pour scanner à partir de dix mètres, sa précision est variable en fonction des conditions atmosphériques comme la température. Quant à la triangulation elle s'effectue en mesurant l'angle sous lequel est vu le point d'impact du laser grâce à un capteur CCD. Comme la précision de cette technique décroît avec la distance à l'appareil de mesure, elle est surtout utilisée pour les scanners à courte distance. Parmi ces scanners dédiés au prototypage rapide, outre les excellents Minolta, il faut citer aussi le Picza LPX-250 de Roland qui est sorti récemment. Très facile à utiliser, il scan au choix en rotatif ou en planaire et permet de sortir les modèles reconstitués dans les différents formats industriels DXF, STL, 3DMF ou IGES. Autre technique pour les scans à courte distance du type Breuckman ou Eyetronics, des grilles lumineuses ou des franges d'interférences sont projetées sur le modèle. Une double saisie est nécessaire.

Visualiser directement les nuages

Les nuages de points obtenus par scan pourraient être directement visualisés par hardware. Mais il n'y a pas d'architecture matériel pour visualiser directement des nuages de points mappés avec des textures. Le pipeline graphique actuel des stations de travail est en effet dédié à l'interpolation sur polygones. J.Torborg and J.Kajiya du centre de recherche de Microsoft ont proposé en 1996 au Siggraph une architecture matérielle "Talisman" sachant gérer la technique IBR ("Image Based Rendering"). Mais le projet n'a pas abouti. D'après Xin Chen, directeur adjoint de Mensi, "l'industrie graphique a tellement investi dans le pipeline graphique actuel qu'il est devenu très difficile de faire évoluer les techniques de rendering dans d'autres directions". Il n'y a donc pas d'autre solution que de reconstituer des modèles géométriques à partir des nuages de points, pour pouvoir les visualiser en temps réel de manière standard.

Reconstruire les géométries

La méthode de reconstruction la plus simple consiste à partir de chaque point de vue et à en déduire par simple projection un réseau de polygones mappés. On utilise ainsi séparément chaque nuage issu d'une prise unique. Les modèles géométriques sont ensuite fusionnés. Un outil comme Polyworks utilise cette technique. Elle peut poser des problèmes si les nuages de points ont été déformés à la saisie, il devient plus difficile de rattraper cette distorsion une fois les nuages convertis en polygones.

Une autre méthode plus complexe permet de reconstituer la géométrie à partir d'un nuage quelconque, y compris avec un nuage résultat de la fusion de plusieurs nuages. Le logiciel de reconstruction 3Dipsos de Mensi procède ainsi : l'étape de saisie des nuages est suivie d'une étape dite de "consolidation" où les différents nuages sont assemblés avant la phase finale de reconstruction géométrique. Dans les produits comme 3Dipsos ou Geomagic, la surface polygonale est reconstruite par l'algorithme de l'alpha-shape, qui est une extension de la méthode de triangulation classique de Delaunay. Les aberrations dans les zones concaves comme le cou – où des triangles aberrants peuvent relier directement les oreilles au cou - sont corrigées par variation du alpha. Ce traitement est assez gourmand en calculs et parfois dans des zones concaves difficiles, une intervention manuelle est nécessaire. Dans le domaine médical où les formes scannées sont topologiquement très complexes, on préfère souvent garder une représentaion volumique. L'espace est discrétisé en voxels qui prennent la valeur moyenne des points du nuage inclus dans chaque voxel.

Optimiser cette reconstruction

Deux contraintes se posent pour la reconstruction : être le plus proche possible du nuage d'origine et garder les contraintes de continuité. Même si la surface finale est polygonale, une première famille d'algorithmes de filtrage et d'optimisation utilise des techniques géométriques comme les NURBS ou la minimisation de l'énergie. Une autre famille regroupe les algorithmes de traitement du signal, comme les ondelettes (wavelets), très en pointe de la recherche.

Un autre sujet important réside dans la capacité des algorithmes à reconstituer proprement les arêtes. Les algorithmes classiques, à la triangulation, cassent les arêtes aléatoirement. Un outil comme Geomagic qui assure une continuité sur les tangentes de la surface, grâce à son utilisation des NURBS, le fait en arrondissant les arêtes. Garder l'information contenue dans les arêtes est un thème de recherche qui se développe, le "shape fairing". C'est un sujet extrêmement crucial pour conserver la silhouette d'un objet, nécessaire à sa reconnaissance.

Un autre sujet extrêmement important est de savoir générer plusieurs niveaux de compression. Ondelettes, surfaces de subdivision, les techniques de reconstitution à partir de nuages de points vers les polygones et les algorithmes de compression polygonale gérant la multi-résolution convergent de plus en plus.

Xin Chen directeur général adjoint, Mensi Sur quels marchés êtes-vous positionnés ? Nous sommes spécialisés dans le scan par laser et la modélisation d'objets de grande taille, pouvant aller jusqu'à la ville. Notre scanner 3D actuel Soisic permet une saisie entre 80cm et 25m, avec une précision de 5 à 6mm. Notre produit en développement permettra de scanner jusqu'à cent mètres. Nos clients actuels sont en partie dans le domaine culturel, pour la reconstitution de sites ou de monuments, mais se trouvent principalement dans le domaine industriel. Avec le retro-ingéniéring, une pièce existante est scannée pour être reproduite à l'identique. Avec le retro-fit, on scan un site existant, afin d'être en mesure d'y installer une nouvelle pièce ou simplement afin de vérifier une installation à un instant donné. Nous avons la particularité d'utiliser les deux techniques de saisie laser que sont la triangulation et le temps de vol. Par miracle, nous arrivons à faire de la triangulation précise jusqu'à 25m. Comment obtient-on des objets 3D à partir des nuages de points scannés ? Notre logiciel, 3Dipsos, reconstruit à partir des nuages de points des surfaces polygonales ou des primitives - comme des cylindres - très utiles dans le milieu industriel. Plusieurs solutions existent pour traiter les NURBS. Un outil comme "Geomagic Studio" est capable de convertir automatiquement les polygones générés en surface NURBS. Il est très adapté à la reconstruction de petits objets complexes, en particulier pour les applications culturelles. De leur côté, les surfaces de subdivision paraissent intéressantes pour obtenir un contrôle local mais n'ont pas encore été intégrées dans un produit commercialisé. Un autre point important est la capacité à restituer correctement la couleur des objets scannés. Sur nos appareils une caméra CCD, calibrée avec la saisie laser, saisit en instantané la couleur mais le résultat est dépendant de l'éclairage de la scène. Un nuage passe dans le ciel et l'ensemble devient incohérent. Des solutions physiques existent au stade expérimental pour reconstruire la couleur intrinsèque à partir de trois faisceaux laser. Je crois davantage à terme aux solutions de traitement d'images. Une technique séduisante consiste à prendre plusieurs images de la même scène avec des temps de pause différents et à augmenter ainsi la dynamique de l'image finale. Là encore, il reste à en faire un produit commercialisable et rentable. Comment voyez-vous l'avenir ? Actuellement, les clients finaux commandent au coup par coup aux prestataires de services des prestations de scan et les données générées ne sont pas conservées. Demain l'utilisation dans l'industrie sera quotidienne. Une autre application promise à un bel avenir est la surveillance permanente par scans 3D d'ouvrages sensibles susceptibles de se déformer : métros, tunnels, barrages, etc. Les outils pour le grand public vont aussi largement se démocratiser. Les "fax 3D" ou les "photomaton 3D" vont se généraliser pour fabriquer des souvenirs ou pour reproduire des visages. En devenant moins chères et en s'automatisant, ces techniques de scan 3D vont devenir du coup accessibles pour les institutions culturelles comme les musées.

Plus d'informations :

Polyworks / Innovmetric : www.innovmetric.com
Geomagic Studio / Raindrop Geomagic : www.geomagic.com
3Dipsos / Mensi : www.mensi.com
Paraform / Arius3D : www.arius3d.com
Pygmalion3D : www.pygmalion3d.com

© mars 2002 François Ploye et Pixel SA