Modélisation et acquisition des modèles 3D

Les modèles 3D disponibles sur Internet ou dans les bibliothèques spécialisées repré- sentent généralement des objets réels, mais peuvent aussi venir de l’imaginaire de leurs créateurs. Les méthodes de modélisation ou d’acquisition se séparent en deux groupes selon qu’elles permettent la représentation numérique exacte d’un objet réel ou qu’elles offrent une plus grande souplesse ouvrant la voie à la création artistique.

Il existe trois grandes familles de méthodes permettant la création d’un modèle 3D informatique. Qu’elles soient logicielles ou mécaniques, elles offrent toutes des solutions pour donner des informations précises sur la forme et éventuellement sur l’apparence (couleurs, textures...) de l’objet à créer. La première est une approche se basant sur des logiciels de modélisation tandis que les deux autres utilisent des lasers ou des capteurs photographiques.

Modélisation manuelle (infographie)

C’est le moyen le plus courant pour créer un objet 3D. À partir d’un logiciel de mo- délisation 3D tel que Maya5_{, 3D Studio Max}6 _{ou encore Softimage}7 _{pour les payants ou}

Blender8 _{et Pov-Ray}9 _{pour les gratuits, il est possible de façonner des scènes complexes}

et donc des modèles 3D.

Le principe général de ces modeleurs 3D se base sur la manipulation de primitives simples. Celles-ci se composent généralement de cubes, de sphères, de cônes, mais aussi de courbes de Bézier10_{ou de “NURBS”}11_{permettant une plus grande liberté de modélisation.} Finalement, l’infographiste ajoute, supprime, modifie ces primitives afin de créer un modèle 3D. Ces logiciels permettent aussi de définir des attributs propres à l’objet tels que : la couleur, la texture, le type de surface (pierre, bois, métal...) ainsi que des points de vue et des lumières permettant de créer animations et rendus réalistes. Ces outils sont très largement utilisés dans la Conception Assistée par Ordinateur12 _{qui permet de créer des} pièces manufacturées de haute précision.

5. http://www.autodesk.fr/maya

6. http://www.autodesk.fr/3dsmax

7. http://www.autodesk.fr/softimage

8. http://www.blender.org/

9. http://www.povray.org/

10. Ce terme désigne des courbes polynomiales paramétriques. 11. Ce terme est l’abréviation de Non-Uniform Rational Basis Splines.

Scanner 3D

Une méthode efficace pour numériser un objet réel en trois dimensions est l’utilisation d’un scanner 3D. Celui-ci permet de recueillir de manière extrêmement précise la forme d’un objet, mais aussi, dans certains cas, ses attributs de surface tels que sa couleur, sa texture... Ces outils sont souvent utilisés par les industriels ou les musées à des fins d’ar- chivage.

Les scanners 3D transforment la surface d’un objet réel en un nuage de points cohérent permettant une visualisation dans un univers en trois dimensions. Afin de bien comprendre ce mode d’acquisition, il est intéressant de faire une analogie avec la photographie. En effet, comme un appareil photo, un scanner capture des informations sur la scène qu’il observe. Là où le capteur photographique détermine la couleur de la scène, le scanner en détermine la position. L’une des différences majeure entre ces deux outils est le caractère passif du premier – analyse passive de l’image perçue grâce à un capteur – et actif du second – analyse active au moyen d’une source de lumière contrôlée (laser) –. Finalement, il est intéressant de noter que pour numériser l’intégralité de l’objet il est nécessaire de le placer sur une table tournante et d’effectuer plusieurs acquisitions.

Reconstruction 3D par photos

Les techniques de stéréovision permettent aussi de numériser en 3D un objet réel. Dans ces approches, la reconstruction est obtenue à partir de photographies de celui-ci prises dans différents angles de vue. En étudiant les corrélations entre ces photos, il est possible de déterminer la position, mais aussi la couleur de chaque pixel et ainsi reconstruire l’objet 3D. Ces approches sont généralement utilisées dans les musées pour numériser des œuvres de grande valeur, impossible à acquérir par laser.

Il existe trois familles de méthodes permettant la reconstruction de modèles 3D. La pre- mière appelée approche par silhouette13 _{et décrite par Sullivan et Ponce [114] détermine} l’enveloppe visuelle initiale du modèle 3D à partir d’un ensemble de silhouettes. Cette méthode est robuste, mais reste limitée à des formes simples. La seconde variété d’ap- proches, introduite par Horn [50], se base sur l’analyse de l’ombrage d’un objet14 _donnée par les propriétés de réflexion diffuse des surfaces. Elle est difficile à mettre en place car extrêmement dépendante des conditions d’éclairage du modèle. Finalement, une troisième classe d’approche traitée par Seitz et Dyer [108] utilise l’information couleur contenue dans les photographies de l’objet. La combinaison de ces méthodes permet d’améliorer la robustesse comme le montrent les travaux de Hernandez [47] sur la fusion d’informations de silhouettes et de textures.

13. Dans la littérature ces approches sont communément appelées Shape From Silhouettes. 14. Dans la littérature ces approches sont communément appelées Shape From Shading.

Avantages et inconvénients de chaque méthode

La force des modeleurs 3D vient de la liberté de création qu’ils offrent ainsi que de leur faible coût. Ils nécessitent cependant d’avoir une bonne connaissance des arts graphiques afin d’obtenir un rendu réaliste. Inversement, les scanners 3D permettent de numériser des objets réels de manière rapide, précise (dixième de micromètre) et en haute résolution (plusieurs millions de points). Ils restent néanmoins onéreux et inappropriés pour les mo- dèles possédant de nombreuses parties cachées, par exemple. Finalement, les approches par reconstruction 3D permettent de numériser un objet de manière efficace au moyen d’algorithmes précis, et ceci, de manière passive. Celles-ci demeurent peu employées car le temps de reconstruction peut atteindre plusieurs heures par objet et cela avec seulement une trentaine de photos.

En conclusion, les modeleurs 3D offrent une grande liberté à moindre coût tandis que les scanners 3D numérisent rapidement des objets réels. Les approches par reconstruction ont, quant à elles, le grand intérêt d’être passives, intéressant de ce fait les musées.