Modélisation du corps humain à partir des données prises par un body scanner

La modélisation du corps humain est une étape importante pour la création d’un vêtement 3D customisé. Dans le secteur de l'habillement, les mesures classiques sur le corps humain comprennent seulement des données selon deux dimensions (hauteurs, largeurs ou circonférences). Il y a très peu de grandeurs permettant de mesurer intégralement les trois dimensions en même temps. Comme les relations entre les mensurations classiques ne sont pas bien exploitées par rapport à la surface du corps humain, un vêtement construit à partir de celles-ci est souvent pauvre en terme de fit pour un porteur spécifique. La modélisation du corps humain en 3D fournit la possibilité de construire un vêtement 3D directement à partir de son propre morphotype et autorise en outre d’analyser l'apparence ainsi que l’aisance du vêtement créé.

En général, quatre étapes sont nécessaires pour construction d’un modèle 3D du corps humain :

- L’acquisition des données par numérisation du corps humain en 3D, - Le prétraitement des données,

- La reconstruction 3D du modèle polygonal non-adaptatif ou adaptatif, - L’animation du mannequin.

L’acquisition des données par numérisation du corps humain en 3D

Depuis les années 1980, les technologies de numérisation 3D du corps humain se développent rapidement. A ce jour, il y a deux catégories principales de mesures pour acquisition des données du corps humain (c.f. Figure 1-8):

Figure 1-8. Méthodes d'acquisition des données anthropométriques du corps humain

- les méthodes avec contact par mètre ruban de couturière classique,

- les méthodes sans contact par utilisation du laser, de la lumière structurée, de l’infrarouge et de la photogrammétrie. Les méthodes avec laser et lumière structurée sont les plus utilisées. Lors de la prise de mesure, la personne doit avoir une position prédéfinie et ajustée dans une zone accessible par les sources de lumière. Le balayage de l’ensemble du corps prend en général entre 3 et 10 secondes et les données du corps sont traitées par les logiciels associés et représentées essentiellement sous forme d'un nuage de points. Récemment, les nouveaux systèmes de balayage du corps humain 3D utilisant la technologie Kinect, sont de plus en plus utilisés [63]. Ces systèmes fournissent des solutions plus rapides et moins coûteuses par rapport aux systèmes sans contact classiques.

Prétraitement des données

Selon la qualité de l’acquisition du nuage de points, il est souvent nécessaire de procéder à un nettoyage des données car certains points sont bruités. De plus, il faut "reboucher" les trous apparaissant à des endroits inaccessibles pour le laser ou d’autres sources de lumière, le plus souvent situés au-dessous des emmanchures, à l’entrejambe et au niveau de la tête (c.f. Figure 1-9).

Figure 1-9. Scan brut comportant des points manquants

En pratique, ces manipulations peuvent se réaliser par les logiciels de rétro ingénierie (reverse engineering) tels que Rapidform et Geomagic.

Reconstruction 3D du modèle non-adaptatif et adaptatif

La reconstruction 3D est essentielle pour pouvoir modéliser la forme complète d’un objet physique ou organique, puisque le scanner ne relève qu’une partie des informations du modèle. Le modèle (mannequin) non-adaptatif ou adaptatif du corps humain peut ensuite être utilisé pour la création du vêtement virtuel.

Un mannequin non-adaptatif est défini comme une non-évolution du corps humain en fonction des barèmes de mensurations. Plusieurs techniques utilisant les différentes informations recueillies ont été proposées pour reconstruire le mannequin en mode multicoque surfacique. Selon les natures d’appareils de mesures et des données correspondantes, nous distinguons principalement les nuages de points, les images 3D, les modèles mathématiques (surfaces implicites) et les contours. Les modèles principaux que l’on peut leur associer sont des surfaces triangulées, des modèles implicites, des surfaces de subdivision ainsi que des surfaces paramétriques.

Dans le secteur de l'habillement, la reconstruction d’un mannequin paramétrique adaptatif est la plus intéressante. Les avantages se retrouvent à plusieurs niveaux par rapport à un mannequin non-adaptatif. Tout à bord, le balayage du corps humain n'est plus obligatoire car la surface représentant le morphotype du client peut être générée par saisie directe des mensurations. Ensuite, le processus de prétraitement des données du corps humain n’est plus nécessaire, car les données manquantes peuvent être complétées par le modèle paramétrique. De plus, la quantité de données d’un mannequin peut être considérablement réduite, ce qui est très intéressant dans le cadre d'une déclinaison d'une solution sur Internet.

Il existe déjà de nombreux travaux sur la construction d’un mannequin paramétrique adaptif. Par exemple, Cho [64] a développé une méthode de construction du mannequin paramétrique à partir des coupes successives du corps, réparties à un intervalle régulier de 10 mm. L’utilisateur est capable de changer de volume et de longueur du mannequin par

modification des rayons des coupes et de l’intervalle entre ces dernières. Wang [Wang, 2005] a proposé d’utiliser trois éléments pour réaliser un modèle humain géométrique : soit les points caractéristiques, les courbes caractéristiques et les correctifs caractéristiques (c.f. Figure 1-10). Les travaux commencent par l'identification de 6 points caractéristiques, à savoir : les aisselles, l’entrejambe, le cou, la poitrine et le nombril (Figure 1-10a). Ensuite, l'ensemble des caractéristiques sémantiques est établi par les règles de proportion utilisées dans le secteur de la mode (Figure 1-10b). Ces points caractéristiques sont classés puis répartis sur les courbes caractéristiques. Les paramètres de dimension du corps humain sont donnés par les courbes caractéristiques (Figure 1-10c). Enfin, les correctifs caractéristiques de Gregory sont utilisés et un algorithme à base de voxels (pixel 3D) complète les détails manquants pour assurer le lissage par nuage de points (Figure 1-10d).

Figure 1-10. Fonction de mise à jour automatique du correctif de Gregory : (a) points caractéristiques principaux ; (b) points caractéristiques complets ; (c) courbes caractéristiques ; (d)

correctifs caractéristiques sur le corps humain ; (e) modification de dimension

Une solution de génération du mannequin adaptatif dans un application en ligne est proposée par Seo et Magnenat-Thalmann [65]. Dans cette procédure, la base de données 3D contenant un ensemble de mannequins référentiels numérisés est stockée dans un serveur. Lorsque l'utilisateur saisit quelques mensurations de son corps sur le site Internet, les informations sont transférées au serveur où les mannequins référentiels virtuels avec des valeurs proches de ces mensurations sont d’abord sélectionnés. Ensuite, en effectuant une interpolation des mannequins référentiels sélectionnés dans l'espace géométrique par utilisation de la méthode RBF (Radial Basis Function), le système génère un nouveau mannequin, satisfaisant le plus aux mensurations saisies et le propose au client.

En pratique, les logiciels de CAO confection 3D prédéfinissent les mannequins paramétriques adaptatifs en fonction de l’âge et du sexe, permettant à l'utilisateur de créer son propre mannequin virtuel par simple saisie de ses mesures anthropométriques.

L’animation du mannequin

Imaginons comment réagissent les consommateurs lors qu’ils voient un mannequin animé avec exactement les mêmes caractéristiques anthropométriques sur l’écran. Le modèle humain 3D animé peut servir à la création du vêtement 3D animé. Cela permet de fournir une expérience réaliste et magnifique durant l’essayage du vêtement virtuel.

La création d’un modèle 3D animé se réalise par intégration d’un squelette avec une animation prédéfinie sur la surface géométrique du mannequin (la peau) par utilisation des logiciels d’animation en 3D tels que Maya, 3D max et Daz studio. Afin d’obtenir une animation du squelette naturel et proche du réel, la technologie « motion capture » ou "capture des mouvements" est appliquée. Cette procédure peut être décrite par les étapes suivantes (c.f. Figure 1-10): 1) l’acquisition des données du squelette et des informations d'animation à partir des positions d’une personne marquée dans la motion capture, 2) la convergence et la fixation du squelette dans la peau et, 3) la simulation de l’animation de la peau à partir du squelette animée.

Figure 1-11. Technologie 'Motion Capture' pour créer un mannequin animé