République Algérienne démocratique et populaire
Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université MENTOURI – Constantine
Faculté des Sciences de l’Ingénieur Département d’Informatique
Mémoire de Magistère
Option : Système d’Information et IA Distribués Présenté par :
Wafia BOUBGUIRA
Modélisation Numérique de Terrains : Etude de Synthèse et Application
Directeur de thèse : Dr. Souham Meshoul Rapporteur : Dr Hachouf Fella
Préparé au sein du laboratoire LIRE Equipe de Vision et Infographie
Soutenu le : 26 juin 2007
Membres de jury :
Président :
Dr. Chaoui Allaoua
Examinateurs :
Dr. Chikhi Salim
Dr. Kholladi Mohamed Khireddine 006/INF/2007
179/MAJ/2007
ﻢﻴﺣﺮﻟﺍ ﻦـــــﻤﺣﺮﻟﺍ ﷲﺍ ﻢﺴﺑ
ﺷ ﻞﻛ ﻪـــﺘﻤﻈﻌﻟ ﻊﺿﺍﻮﺗ ﻱﺬﻟﺍ ﷲ ﺪﻤﺤﻟﺍ ـ
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ﻟﺍ ﷲ ﺪﻤــﺤﻟﺍ ﺊـﺷ ﻞـــــﻛ ﻪﺗﺰﻌـــــــــﻟ ﻝﺫ ﻱﺬ
ﺷ ﻞﻛ ﻪﺗﺭﺪﻘﻟ ﻢــــــــﻠﺴﺘﺳﺍ ﻱﺬﻟﺍ ﷲ ﺪﻤﺤﻟﺍ ـ
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ﻜﻠﻤﻟ ﻊﻀﺧ ﻱﺬﻟﺍ ﷲ ﺪﻤﺤﻟﺍ ﻭ ـ
ﺷ ﻞﻛ ﻪ ـ
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Remerciements
Je tiens à remercier mes encadreurs Dr. Souham Meshoul, et Dr Hachouf Fella de m’avoir accueillie et acceptée de me superviser, m’orienter, me conseiller, me suivre et m’aider tout au long de cette initiation à la recherche.
Je remercie également Dr. Chaoui Alloua, Dr. Chikhi Salim et Dr. Kholladi Mohamed Khireddine pour leur engagement d’être président et membres du jury.
Une mention particulière à Mr Remy Malgouyres de l’université d’Auvergne et Mme Marie Paule Cani de l’INRIA pour leur soutien, précieuse assistance et fort appuie, vos encouragements n’ont fait que me porter assurance et confiance.
Une appréciation distinguée à mes supérieurs le chef de service d’informatique et le chef de centre de traitement d’information pour leur immense soutien pratique et technique qu’ils ont su m’apporter.
Une gratitude singulière à Mr. Lamara Abdel-Hak pour son aide et son appuie, ses encouragements incessants et son épaulement considérable, je vous remercie pour tout ce que vous m’avez offert.
Un autre merci à Melle Bouzid Oualida, pour ses conseils précieux et sa collaboration, et sur tout son sens de l’humour remarquable. C’est toujours un plaisir de travailler avec vous.
Dédicaces
Je commencerai par mes défunts, mes grands parents Sadouk et Yamina, ma très chère tantine et fidèle amie Ibtissem, à mon adorable oncle que j’adorais tant, à toi très chère Khalti Hlima, et à toi aussi tonton Noubel comme on avait prit l’habitude de vous appeler, qu’Allah vous accueille dans son vaste paradis, vous me manquaient énormément mais jamais je ne vous oublierai.
A Djedou et Mma qui m’ont accueilli dans leur chaleureux cœur et comblé de bonheur, à mes adorable parents qui m’ont donné la vie, m’ayant tout apprit, qui ont dissipé mes peines et mes peurs, et m’ont offert ce qu’on octroie de meilleur : un nid douillé et de l’amour en ampleur. Acceptez ma perpétuel gratitude, sans vous je n’y serai jamais arrivé, j’espère être à la hauteur de vos pensées.
A ma charmante confidente et ma fidèle ame-sœur, à toi Meriouma, toujours pleine d’attention et de douceur, ton cœur est celui d’un enfant aussi pur qu’une fleur, ma faiseuse de miracle, ma fée adorée, mon protecteur enchanteur, sans toi la vie sera un leurre. Qu’Allah te protège et veille sur toi.
A mes idolâtres frangines Siham et Marwa, à mon petit bout de chou Midou, vous apportez toujours la joie et la gaîté dans ma vie, étant soleil de mes jours et claire de lune de mes nuits, source de mon inspiration, refuge de ma consolation et mon abri, de vous avoir je me joui.
Qu’Allah vous préserve.
A mes superbes tantines, Farida et Zahia ainsi que ma gracieuse Houriya j’ai de la chance, par votre présence vous m’avez rendu la vie pétillante et plus belle. Samia et Mouni je sais que je ne vous rends pas la vie facile avec toutes mes questions « existentielles », cependant je vous jure que votre compagnie ne cessera jamais de m’être aussi douce que du miel.
A Fouad et Nassima, Nouredine et Habiba, que la joie soit sise dans votre demeure, et que l’amour vous envahisse en chaque seconde, minute, et heur. Qu’Allah veille sur vous tous.
A khali Nouri, tonton Zoubir, et Karim, à mes tantes et oncles, cousins et cousines, ainsi que tous les membres des familles Lamara et Boubguira, grand et petit. Qu’Allah vous garde pour moi.
A mes amis, Anis, Hamza et Ghani ; Ghanou, Boubou et Skandar je n’oublierai les jours qui nous ont réunis ni l’allégresse qui en a suivit. J’en étais vraiment ravie.
A Ikram et Ahlam, Aida et Bissa, Dada et Wahiba, je regretterais le temps passé avant de vous avoir rencontré, vous m’inspirez de garder toujours le sourire, et dire que le bonheur frappe aux portes de ceux qui accepteront lui ouvrir.
A Habib et Schneider, un grand merci pour le support que vous m’avez apporté, et l’encouragement incessant pendant les durs moments que j’ai passés, et de m’avoir empêché de penser pouvoir tout abandonner. Merci d’avoir cru en moi.
A Safa et Dallèl, mes complices éternelles, même si le destin nous sépare il ne saura nous désunir, et si le temps nous met à l’écart il ne pourra secouer notre amitié ni l’affaiblir, on se réunira tôt ou tard au futur proche ou au loin avenir.
A Hakim et Kais, les deux esprits qui m’ont obligés à faire marcher mes neurones, même ceux de la « Dead zone » !! Le plus grand effort reste à survenir car je ne sais toujours pas conduire. Je vous remercie pour votre aide et appui, de m’avoir épaulé et d’être présent à chaque fois que le contrôle me fuit, vous étiez toujours à mon écoute, et vous avez supporté mes crises et saut d’humeur quand je me perdais en doute. Je vous suis éminemment reconnaissante.
A Blot ! et Naouel, sincèrement je me réjouis de venir au travail chaque jour rien qu’en pensant vous retrouver, merci pour les fabuleux moments et les merveilleux souvenirs et tout ce que vous m’avez fait découvrir, par le sérieux ou le rire, merci pour ce que vous m’avez partagé, c’est dans un océan que vous m’avez appris à nager.
A mes collègues Zouhir et Mouhamed, je n’oublierai jamais ce que vous avez fait pour moi, je vous suis reconnaissante pour votre aide et encouragements, veuillez accepter mes respects, ma gratitude et mes sincères sentiments.
Et non je ne vous oublie pas Chef ! Comment l’oserai-je, vous m’étiez d’un renfort primordial, et vos conseils d’un appui crucial, c’était un plaisir de travailler sous vos ordres, et suivre vos consignes. Mr. B.Salim, je m’incline et je vous dis « mes respects Chef », j’aurais aimé apprendre d’avantage sur votre vision, puiser encore de votre sagesse. J’espérais contribué au nouveau projet ça aurait étais une expérience à part entière j’en suis sure.
Qu’Allah vous bénisse.
Table des matières
Introduction
Introduction générale………….………..……...………...… 2
I. Introduction à la synthèse d’image I.1. Introduction………..………..………... 5
I.2. Un peu d’histoire………..……….... 6
I.3. Domaine d’application……….. 7
I.3.1. Médecine et physique nucléaire……….. 8
I.3.2. L’hydrographie et la bathymétrie………..………... 9
I.3.3. Enseignement et éducation ………. 9
I.3.4. Urbanisme, aménagement, géni civil et architecture ……….. 10
I.3.5. Muséologie, tourisme et préservation du patrimoine ………. 11
I.3.6. Sécurité et forces de l’ordre ……… 14
I.3.7. Jeux et divertissement ………. 15
I.3.8. Conclusion ……….. 15
I.4. Les phases de l’image de synthèse……… 16
I.4.1. La modélisation ………..……….... 17
I.4.2. Le rendu ……….……… 18
I.4.2.1. Le texturage ………. 18
I.4.2.2. L’ombrage ……… 18
I.4.3. L’animation ………..……….. 18
I.4.4. D’autres propriétés ………. 19
I.4.4.1. L’affichage en temps réel ………...……….. 19
I.4.4.2. Le réalisme ...……….... 20
I.4.4.3. La navigation ………..……….. 20
I.4.4.4. L’interactivité ………... 20
I.4.4.5. L’intelligence artificielle ……….. 20
I.4.4.6. Le son en 3D ………. 21
I.5. Modes et techniques de modélisation ……….………. 21
II. Elévation de terrain II.1. Introduction... 26
II.2. Techniques de génération de terrain ... 27
II.3. Méthode de représentation de terrain ... 32
II.4. Conclusion... 33
III. Représentation de terrains par primitives géométriques
III.1. Introduction .………...………... 35
III.2. Courbes et surfaces ………... 36
III.2.1. Les courbes paramétriques cubiques ………. 36
III.2.1.1. Les courbes de Bezier ………..…… 38
III.2.1.2. Les courbes B-Spline non rationnelles uniformes …………..……… 40
III.2.1.3. Les courbes Spline de Catmull-Rom ………... 42
III.2.1.4. Les courbes B-Spline non uniforme non rationnelles ……….. 43
III.2.1.5. Les NURBS ………. 43
III.2.2. Les surfaces paramétriques bicubiques ………. 43
III.2.2.1. Les surfaces quadriques ………... 45
III.2.3. Avantages ……….. 46
III.2.4. Inconvénient ……….. 46
III.3. Le voxel ………..………. 46
III.3.1. Quadtree et octree ……….. 47
III.3.2. Avantages ……….. 48
III.3.3. Inconvénients ………. 48
III.4. Les transformations géométriques ………..………. 48
III.5. Conclusion ………... 52
IV. Modélisation numérique de terrain IV.1. Introduction ... 54
IV.2. Source des données disponibles ... 56
IV.3. Logiciels de modélisation ……… 57
IV.4. Les MNT ……….. 58
IV.5. Représentation du terrain ………. 58
IV.5.1. Les structures de données ... 59
IV.5.1.2 Mode Raster ………... 59
IV.5.1.2 Mode vecteur ………. 62
IV.6. Modes de production ……… 63
IV.6.1. Acquisition de données ……….. 64
IV.6.2. Production Raster ……….….. 65
IV.6.3. Production TIN ……….……. 66
IV.6.3.1. Triangulation de Delaunay ………. 67
IV.6.3.2. TIN à partir de courbes de niveaux ……… 70
IV.6.3.3. TIN à partir d’autres levés topographiques ……… 70
IV.7. Caractéristiques ………... 71
IV.8. Conclusion ………... 73
II
V. La technique Fractale
V.1. Introduction…….………..……...………... 75
V.2. Définitions ... 76
V.3. Quelques fractales ... 76
V.4. Origines ………. 79
V.5. Caractéristiques des fractals ……….. 81
V.5.1. L’auto-similarité déterministe et Stochastique ………..………... 82
V.5.2. L’auto-affinité ……… 83
V.6. Dimension de Hausdorff ………... 84
V.7. Les classes des fractales ……… 88
V.8. Les formes de fractales dans la nature ………... 88
V.9. Les fractales et la génération de terrain ………. 89
V.9.1. Technique spatial ………... 92
V.9.2. Poisson Fault ……….. 100
V.9.3. Synthèse de bruit à bande limitée ……….. 105
V.9.4. La technique spectrale ……… 111
V.9.5. Addition Aléatoire successive ……… 112
V.10. Conclusion ………. 113
VI. Application VI.1. Introduction…….………..……...………... 115
VI.2. Quelques logiciels ... 115
VI.3. Application …... 116
VI.4. Conclusion ………. VII. Conclusion et perspectives Conclusion et perspectives………... 124
VIII. Références Références……… 127
«The thinker tries to determine and represent the nature of the world through logic. He knows that reason and its tool, logic, are incomplete -- the way an intelligent artist knows full well that his brushes or chisels will never be able to express perfectly the radiant nature of an angle or a saint.
Still they both try the thinker as well as the artist, each in his way. They cannot and may not do otherwise. Because when a man tries to realize himself through the gifts with which nature has endowed him, he does the best and only meaningful thing he can do. »
- Herman Hesse
Introduction
On ne peut décrire en un mot ce qu’on discerne en une seconde, pour la simple cause qu’ « on a pas encore découvert ce langage qui pourrait exprimé en un seul coup ce qu’on perçoit en un clin d’œil » Nathalie Sarrante. Une diction exprimant le rôle du sens visuel et sa qualité de transmission d’information, une méthode claire, fiable et rapide. On peut remarquer que pour décrire une scène, dépeindre une pièce, interpréter une image ou exposer un schéma technique, on se voit employer une centaine si ce n’est pas des milliers de mots, d’expressions, d’adverbes et d’adjectifs pour approcher ce qu’on a pu voir, et révéler toute donnée acquise, sans pour autant y parvenir : préciser l’emplacement des objets, le déroulement chronique des faits, simuler un futur ou faire revivre un incident passé.
Même une image simple ou ce qu’on appelle « image 2D » ne semble plus être suffisante pour refléter toutes les données qu’elle comprend, on a de plus en plus besoins de précision et rapprochement à la réalité. La reconstruction 3D permet la modélisation d’objets physiques sculptés et organiques, réels ou même artificiels, elle offre une perception claire et distincte ce qui permet une acquisition plus rapide et compréhension véridique sans ambiguïté.
Le penchant et l’objectif de ce travail présent, au départ, se révèlent par la reproduction et l’imitation de certains aspects du monde réel, et par conséquent présenter un environnement familier pour toutes personnes ayant envie de s’en servir. Il s’agit d’applications plus ou moins spéciales, conciliant le réalisme du terrain en terme de données et aspect visuel, sans pour autant s’étendre aux applications de réalité virtuelle. D’après Gaston Bachelard « on ne pourra bien dessiner le simple qu’après une étude approfondie du complexe », ce travail vise d’abord une étude de synthèse sur la génération des terrains en survolant les techniques utilisées pour la production des terrains réels et s’étendant aux méthodes appliquées lors de création des terrains synthétiques. D’autre part, cette étude sera complétée par le développement d’une application illustrant quelques techniques choisies. Des perspectives avenir seraient d’étendre le système pour avoir plus de contrôle sur la modélisation des terrains et l’introduction de pluggins permettant l’utilisation de différents fichiers provenant des autres modeleurs de terrains.
Intéressé par la modélisation fractale des terrains qui est bien connue dans le monde des terrains synthétiques, et évidement très usitée dans la génération de terrains pour les jeux, cette méthode est la plus élaborée.
Au premier chapitre « Synthèse d’image », on introduit en quelques lignes l’historique de l’image de synthèse animée, on étale ses domaine d’application, et on présente ses éléments : modélisation, rendu et animation.
Le second chapitre « élévation de terrain » représente un survole des travaux menés antérieurement dans le domaine de la reconstruction de terrain 3d, un bref état de l’art pour se créer une idée générale.
Le troisième chapitre « Représentation de terrains par primitives géométriques » initie quelques techniques de génération de terrains artificiels se reposant sur les primitives de la géométrie classique, on parle donc de techniques classiques : modélisation par courbes et surface (Bezier, B-Spline, NURBS…), modélisation volumique (Voxel, CSG), et on donne aussi un petit aperçu sur les différentes transformations géométriques (rotation, translation…) permettant le déplacement d’objet et visibilité.
Le quatrième chapitre « Modélisation Numérique de Terrain » couvre la méthode classique de modélisation de terrain réel par MNT (Raster et TIN) et la présentation de l’algorithme de triangulation de Delauney.
Le cinquième chapitre « La technique Fractale » : présentation les fractales, leur propriétés, la dimension fractale, et enfin les algorithmes fractals de génération de terrain, méthode spatiale : déplacement du point centre et ses variétés (plasma, Brown-Gauss, Carré-Diamand, Carrée-carrée), Fault-Formation (Fault-ligne, spherical landscape), bruit de Perlin (bruit rose), l’addition aléatoire successive, et les méthodes spectrales : transformée de Fourrier.
Le sixième chapitre « Application », concerne l’application de la méthode plasma en combinaison avec les données MNT (Raster) pour arriver à modéliser un terrain réaliste sur les deux axes : véracité de données et possibilité d’augmenter le niveau de détail grâce au calcule fractale offrant l’élément aléatoire qui approche la réalité.
En conclusion : Dans les domaines d’audiovisuel, les effets spéciaux, les jeux vidéo, l’étude d’impact, les simulateurs, la visualisation scientifique ainsi que pas mal d’autres applications il est nécessaire d’établir un compromis entre Réalisme et exécution en temps réel pour leur modélisation. L’un des problème de la modélisation classique des terrain est l’amas de données causant une faible efficacité et un coût mémoire très élevé, la solution est de réduire le montant de données et le remplacer par un calcule fractale pour augmenter le niveau de détail uniquement quand ce dernier est nécessaire : production de plusieurs niveaux de détail par calcule au lieu du stockage préalable des données.
3
« I have no fault to find with those who teach geometry that science is the only one which has not produced sects, it is founded on analysis and on the calculus; it does not occupy itself with probable truth, more over it has the same method in every country »
- Frederick The Great
Chapitre I
Introduction à la Synthèse d’image
1. Introduction :
D’après l’histoire et à travers les œuvres anciennes, l’humain a toujours cherché un moyen explicite pour communiquer avec autrui, il n’a pas cesser de quérir un nouvel outil à chaque fois de façon à lui permettre une habilité de transmettre ses idées et pensées, s’échanger l’expérience de ses exploits, raconter des faits ou expliquer des choix, et pourquoi pas glorifier ses succès. Commençant par des graffiti1, épigraphes2 et gnomoniques3, transcriptions et dessins énigmatiques, des manuscrits et cartes historiques, jusqu’aux récits poétiques et tableaux artistique. Il a fini par croire que le meilleur moyen serait d’employer une combinaison des dispositifs sensoriels que son prochain puisse recueillir, singulièrement : le son et l’image. La télévision en était l’invention bouleversante, la netteté du son, la résolution de l’image, l’effet réel des couleurs, tout y est.
Cependant dans un monde « informatisé », le nombre d’utilisateur de l’outil informatique n’a pas cessé de croître de jour en jour. On emploi toute sorte d’ordinateurs au quotidien dans nos différentes activités usuelles aux point qu’ils sont devenus indispensables au fil des années puisqu’on a tendance à croire que par habitude on prend goût aux facilités qu’ils offrent. Toutefois, on se trouve devant la nécessité de faire appelle à une certaine faculté pour les manipuler : en retrouve les débutants, les expérimentés et les experts. Les applications informatiques tendent à être de plus en plus souple pour offrir plus d’assistance à la catégorie éminente des utilisateurs.
1 Inscription ancienne, sauvage et populaire (dessin)
2 Inscriptions gravées clairement (texte)
3 Cadrans solaires
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Introduction à la synthèse d’image
Chapitre I
La synthèse d’image animée et la simulation ont souvent été décrits de façon fantaisiste, illusoire et exorbitante par les médias, nonobstant elles font l’objet d’une utilisation très vaste dans diverses disciplines : l’industrie, la culture, l’éducation, la sécurité…etc. Des simulateurs de vol pour former des pilotes, des simulation d’essaie nucléaires et catastrophes naturelles pour l’étude et la prévention, des reconstitution de champs de batail pour l’établissement de tactiques de guerre ainsi que d’autres applications ont réellement prouvées leur efficacité et utilité fulgurante. L’informatique a marqué cette décennie par d’importants progrès software et hardware permettant aux ordinateurs standard d’être usité pour ce genre d’applications gourmandes en temps d’exécution et espace de stockage, il est même possible de profiter de l’utilisation en réseaux comme pour les jeux multi-utilisateurs.
On a plutôt tendance à imaginer que le Cosmos réel peut être modélisé dans ses moindres détails, cela reste toujours une ambition trop convoitée. Sur le chemin de sa réalisation, ou du moins la concrétisation d’une partie de ce rêve, l’outil informatique n’a pas cessé de développer de nouvelles techniques et d’améliorer ses produits pour se rapprocher du but vers lequel se dirigent les espérances. On retrouve un ensemble considérable de logiciels de modélisation et bien d’autres d’animation, classifiés selon jouissances et exigences, on remarque que la diversité du présent offre l’embarras du choix, le défit à relever reste toujours la représentation 3D sur un écran en deux dimensions.
2. Un peu d’histoire :
L'histoire de l'image de synthèse ne se dissocie donc pas du développement de l'informatique. Elle a entrepris aux États-Unis vers les débuts des années 1950, étant réservée à la recherche. Ivan Sutherland du MIT, pour le contrôle aérien de l'armée de l'air, a eu l’idée d’assembler un tube cathodique et un crayon optique. En 1961 on a pu introduire un curseur sous forme de croix sur l’écran indiquant de cette façon la position du crayon optique. Au départ il a s’agit d'image 2D, puis venu l'image 3D qui est plus coûteuse en temps de calcul et en argent.
Ensuite, les universités se servirent également des images 3D, et en 1967, l'Université de l'Utah se spécialise dans ce domaine, en particulier les professeurs David C. Evans et Ivan Sutherland, qui essaient de modéliser divers objets telle que la voiture d’Ivan Sutherland, et qui fonderont en 1968 la société Evans & Sutherland. Puis en 1970, Xerox créa le PARC (Palo Alto Research Center), qui travaillera très librement, car sans objectifs commerciaux ; il en émanera de nombreuses découvertes que Xerox ne saura pas exploiter. En 1975 fut créée une des plus célèbres images de l'infographie : la théière, devenu depuis un objet classique de test pour les applications 3D. La théière qui a servi de modèle repose maintenant au Boston Computer Museum, près d'un ordinateur qui reproduit son image en trois dimensions.
Jusqu'aux années 1980, peu de personnes abordaient ce domaine en raison des coûts du matériel. Mais l'apparition des ordinateurs personnels tels que le Xerox Star, l'IBM-PC en 1981, et l'Apple Macintosh en 1984, a démocratisé l'utilisation de la 3D pour l'étude et la
Introduction à la synthèse d’image
Chapitre I
production. L'évolution de la technologie aboutit à de superbes simulations de navettes ou fusées par la NASA, ou de paysages et de visages.
Mais c'est à partir des années 1990 que l'image de synthèse et la 3D se développèrent vraiment, avec notamment l'arrivée d'ordinateurs plus puissants et le débarquement de consoles de jeux vidéo plus performantes permettant ainsi l'utilisation d'images en temps réel et en trois dimensions (PlayStation, Dreamcast…), ainsi que d'images de synthèse.
3. Domaine d’application
La reconstruction 3D est très active dans plusieurs jouissances, elle varie depuis la simulation de catastrophes naturelles (cyclone, tremblement de terre, irruption volcanique, feu de forets … ), ou accidents effroyables (éboulement d’un barrage, effondrement d’un immeuble, rupture d’un ponts), ce qui permettrait d’établir rapidement un diagnostic de périls précis et complet dans le cadre de la connaissance des risques permettant une bonne planification d’un système d’évacuation et de secours – qui soit un outil pratique pour la formation des sapeur pompiers s’appliquant à leur slogan «FORMATION, PRÉVISION, PRÉVENTION ET ANTICIPATION ».
On peut aussi parler de simulation dans le domaine d’entraînement militaires et maintiens de la sécurité : assaut et tactique, synchronisation en pratique, traitement de manœuvre d’offense et défense et l’étude des différentes possibilités et techniques. On peut aussi facilement s’étendre à d’autres maniements et observer par exemple l’aide que la simulation rapporte à la médecine et la modélisation d’organes à partir d’images médicales, que ce soit pour établissement de diagnostique ou juste remplacer le supplice d’un cours d’anatomie en temps critique (il y a peu de gens qui font don de leur corps – une fois mort – à la science). Les ingénieurs forestiers peuvent l’utiliser pour étudier la croissance des arbres en fonction des pentes ou de l'ensoleillement, ou alors pour décider d'exploiter des zones de coupe en fonction des cartes de visibilité. Ils peuvent grâce à un inventaire forestier 3D connaître les populations forestières en relation avec le relief du sol.
Passant à présent aux alentour de l’art et la culture avec la restitution virtuelle de monuments et sites historiques permettant la navigation en temps réel ou la création de bibliothèques et musés virtuels pour conserver les œuvre fragilisés à cause d’une manipulation directes répétées. Et en fin, on retrouve la modélisation du coté de Design (voitures, meuble, habille et habitat), ainsi que l’urbanisme et l’aménagement : partant de la modélisation des structures industrielles (tuyauteries, réservoir, câblage), jusqu’à la topographie en marquant sa présence dans le confort personnel par la simulations d’impacts d'agencements (par exemple : l’impacte sonore sur les habitations).
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Introduction à la synthèse d’image
Chapitre I
3.1. Médecine et Physique nucléaire :
La reconstruction 3D est donc réclamée par la médecine pour plusieurs raisons, par exemple simuler le cours d’anatomie et permettre une meilleure compréhension par la clarté visuelle offerte, la modélisation du corps humain et la possibilité d’effectuer des interventions chirurgicales virtuelles serait un bon moyen d’apprentissage préliminaire pour les étudiants de première et seconde années, disant même que la chirurgie assisté par ordinateur est une excellente recettes pour les stagiaires débutant. Une application plus simple serait d’apprendre aux enfants de quoi le corps humain est composé, la faculté Informatique et Communications a conçu le Visible Human Server, un site Internet créé par Roger D. Hersch et son équipe proposant gracieusement à tout un et chacun la découverte du corps humain en 2 et 3 dimensions. Il faut l’avouer, c’est bien meilleur que d’observer des planches traditionnelles.
Davantage, la reconstitution d’image en 3D devient un rattachement de deux sciences, la médecine d’une part et la physique nucléaire de l’autre part. on trouve par exemple:
- La reconstruction 3D en géométrie conique, avec utilisation d’un collimateur sténopé pour l’exploration thyroïdienne [1] qui a permit l’identification d’au moins 25% de nodules supplémentaires par rapport à l’exploration planaire conventionnelle.
- La tomographie dynamique à rayons X qui est une modalité en forte progression ces dernières années, et consiste à reconstruire une séquence d’images et non plus une seule image statique. Ces données dynamiques permettent d’étudier les évolutions dans le temps liées soit au mouvement naturel des organes, soit à la progression d’instruments d’intervention chirurgicale. La reconstruction tomographique de données 4D (3D temporelle) nécessite une centaine de Giga flops (Floating Operation Per Seconde) en utilisant une approche standard [2] et des travaux proposent de nouvelles méthodes de reconstructions accélérées originales visant à réduire le nombre d’opérations de relèvement.
- La détermination de paramètres de contrôle de qualité spécifique à la tomoscintigraphie avec collimateur sténopé [3] qui consiste, quand à elle, à définir la norme relative au contrôle de qualité pour la reconstruction tomographique tridimensionnelle par l’algorithme itératif OSEM.
- La reconstruction tridimensionnelle à partir de la Radiographie Multiplanaire qui permet de définir la position tridimensionnelle de repères anatomiques dans l’environnement radiologique. Ainsi qu’une acquisition tranche par tranche ou volumique, réalisée avec un CT-Scan permettrait d’obtenir une reconstruction tridimensionnelle d’une structure anatomique par des techniques de rendu surfacique ou volumique. La reconstruction 3D est même effectuée à partir de l’IRM (L’Imagerie par Résonance Magnétique), et l’Ultrasons [4], et ceci relève du domaine de la BioMécanique.
Introduction à la synthèse d’image
Chapitre I
3.2. L'hydrographie et la bathymétrie :
On peut produire des modèles, à petite échelle, du fonds marin, en utilisant les données fournies par des échosondeurs. Comparé avec leur équivalent topographique, c'est moins facile d'obtenir les résultats ou de voir le fonds marin. C'est difficile de localiser et de mesurer des lignes importantes du terrain, tels les crêtes et les failles. Malgré tout, des modèles numériques du fonds marin sont développés, afin d'analyser un site marin avant la construction d'une structure en mer.
Le labo DNT1 de l’ENSIETA2 en France a développé une chaîne d’algorithmes de modélisation numérique de terrains concernant : l’acquisition (GPS, Altitude, Sonar profiler, Bathy-célérimètre), filtrage des données de navigation, rejet de sonde douteuses et l’estimation d’MNT, pour disposer d’MNT locaux dans le but d’éviter des obstacles en robotique sous-marine, ils ont développé un modèle de production d’MNT en temps réel à haute résolution avec l’approche de fusion de données fournies par une instrumentation miniature mais avec une large couverture due à l’utilisation de sonars à ouverture conique fine et balayage mécanique.
3.3. Enseignement et Education :
La simulation de phénomènes naturels, réactions chimiques, ou simplement d’une visite dans le corps humain serait d’une grande utilité pour réussir à transmettre une information au disciple de façon aisée et naturelle, et surtout l’initier à stimuler son imagination. L’image est plus expressive dans le cas d’inculquer à un enfant comment construire un cube en papier et se retrouver entre pliage et collage ; lui expliquer le cours de géographie sur le phénomène d’éclipse solaire, la nuit, le jour, les orbites et les 365 tours ; la différence entre : lacs, mers et océans, la forme ronde de la terre, l’emplacement de son pays dans le globe terrestre, et lui permettre de voyager au-delà de sa résidence pour découvrir au mieux ce qui peut l’entourer pour l’inciter à la curiosité et le prévenir du danger.
Le cours d’histoire serait fascinant et attrayant s’il pouvait être présenté comme un récit perçu, les événements sont mieux mémorisés, et donc l’histoire bien gravée. Le cours de géométrie perdra un peu de sa complexité si on pouvait faire voir la bonne image à l’élève pour qu’il puisse comprendre la loi de volume, superficie et tout autres principes de la géométrie. Le cours de chimie ne nécessitera plus la disposition de produit chimiques dangereux, la réaction résultante peut être simulée sans mettre qui que ce soit en péril. Et en fin, le cours de sciences naturelles, pour observer le développement d’une plante, d’un fétu, d’une espèce animalière, tout cela demande beaucoup de temps et tant de moyens et parfois c’est impossible. La simulation 3D permettra de résoudre et d’éviter un bon nombre d’embarras dans le domaine de l’enseignement et l’éducation.
1 Laboratoire Développement Technologies Nouvelles
2 Ecole National Supérieur d’ingénieur des Etudes des Techniques d'Armement http://www.ensieta.fr/
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Introduction à la synthèse d’image
Chapitre I
3.4. Urbanisme, Aménagement, Géni civil et Architecture :
Dans ce domaine, le besoin de l’image tridimensionnelle s’accroît de jour en jour, il serait plus facile d’aménager une cité, de construire une route, bâtir un pont et pouvoir gérer - dans un environnement proche du réel- les contraintes posées avec aisance : les espaces de verdure, la lumière du soleil, la direction des vents, l’impacte sonore sur les habitations etc.…
il est aussi judicieux de pouvoir faire visiter une ville qui n’est pas encore construite, au lieu de passer des jours entiers à bricoler des objets pour élever une maquette à fin de visualiser et analyser les structures complexes, une synthétisation virtuelle serait moins coûteuse et plus adéquate pour faire une excellente publicité au projet -encore en étude- et attirer des clients ou des fondateurs potentiel. Grâce à la CAO et aux avantages offerts par la puissance des micros, quelques heures suffisent pour imaginer des structures, calculer la résistance des matériaux et afficher sur l’écran des vues en perspective très précises.
Certains projets ont été réalisés au laboratoire MAP (Modèle et simulation pour l’Architecture, l’urbanisme et le Paysage) [5] comme :
- Slicer (logiciel de traitement pour la stéréophotolithographie laser) 1998: Mené en collaboration avec le laboratoire GRAPP (Groupe de recherche en Applications Photophysiques et Photométriques) de l'ENSIC à Nancy, cette recherche vise à expertiser et implémenter les transformations d'une base de données géométriques 3D pour la rendre réalisable sur une machine de stéréophotolithographie laser. Un logiciel de tranchage, d'optimisation des coupes, de contrôle des données a été réalisé sous forme d'un module C et d'un plug-in Autocad, interfacé avec les formats de données standard (STL en particulier). De nombreux objets architecturaux ont été réalisés afin de perfectionner la méthode et les programmes.
- Revcap (reconstitution de volumétrie urbaine) 2001: Reconstruction interactive 3D de volumétries urbaines à partir de plans de cadastre et de photographies, développé sous Maya en Mel (maya embeded language) et C. On mentionne que la plate forme Maya dispose des fonctionnalités suivantes: modeleur interactif, surimpression photo et modèle 3D. La finalité du projet fit le développement d’un module de calcul du point de vue d'une photographie.
- ModLum (logiciel de placement interactif de sources lumineuses 2002): Logiciel d'aide à l'illumination d'édifices. La simulation des phénomènes lumineux est, à plusieurs niveaux, d'une importance capitale pour le projet d'architecture et les édifices architecturaux : tant au niveau de la conception où les outils de simulation devraient permettre d'assister efficacement le concepteur dans ses recherches, qu’au niveau de la communication de manière à fournir des informations fiables et réalistes aux décideurs et au grand public. Or, l'un des problèmes les plus ardus rencontrés est l'extrême difficulté à représenter de manière réaliste un projet d'illumination conformément à la réalité physique des propriétés photométriques et colorimétriques de la lumière et des caractéristiques des matériaux.
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Chapitre I
L'expérience montre que la réussite d'une simulation par des logiciels photo-réalistes repose essentiellement sur la qualité du choix des caractéristiques des sources lumineuses et sur leur positionnement correct dans le projet. L'étape de modélisation lumineuse oblige à de nombreux réglages engendrant des calculs intermédiaires, et s'avère de ce fait très coûteuse en temps. Ils ont donc établir, à l’égard de la nécessité, une méthode de travail visant à améliorer l’étape de préparation des simulations d'illumination sur des édifices.
La société RealViz [6] met à la disposition des clients divers produits : - REALVIZ Stitcher : une solution de création de panoramas.
- REALVIZ ImageModeler : une solution pour mesurer et créer des scènes 3D à partir de photographies. En utilisant des algorithmes avancés, il permet de construire des scènes et modèles 3D précis avec des textures ultra-réalistes à partir de simples photographies.
- REALVIZ VTour : Démarrant directement à partir de photos numériques ou de panoramas 360 degrés (ex : en utilisant Stitcher), VTour permet la création intuitive de scènes 3D telles que des intérieurs (pièces, bâtiments…etc) ou des zones urbaines (places, rues…etc), à partir de primitives polygonales photo-texturées. Le résultat peut être exporté/publié sous la forme d’un film 3D ou d’une application interactive pouvant être visualisée via les lecteurs Spi-V3D (basé sur Shockwave®) ou Virtools Web Player.
Mais il reste toujours le problème universel, les prix exorbitants de ces produits, même pour les versions catégorie : étudiants/universités.
3.5. Muséologie, Tourisme et Préservation du patrimoine :
Un autre axe surgi, il s’agit de la navigation dans un environnement 3D. Qui n’aurait pas rêver de visiter l’ « Ouvre » en France, ou « Alte National Gallery » à Berlin, le « British Museum » à Londres, la galerie nationale « Victoria Melbourne » en Australie, le musée
« Belveder » à Vienne, la galerie nationale du Canada, ou les musés des beaux arts d’Hongrie et d’Espagne, être aux quatre coins du monde en un espace temps minime et sans dépenser autant d’argent, voir toutes les merveilles et pouvoir les contempler, et qui sait peut être bien qu’on finira par les voir pour de vrai l’un de ces jours. Une autre éventualité serait de voyager dans le temps, entrer au cœur des pyramides égyptienne, rendre visite à un tas de site de civilisation anciennes : La Mésopotamie en Asie, la Grèce Antique et les Viking en Europe, l’Empire Romain dans le monde méditerranéen, les Mound Builders, les Anasazi, les Maya, les Incas et les Aztèques en Amérique, planer au dessus des dolmens3, cromlechs4, menhirs5 et apprécier la vue aérienne des alignements. Ce n’est pas toujours possible ? Oui, car si ce n’est par faute de moyens c’est sûrement par faute de droit. Un site archéologique doit être préservé le plus minutieusement autant que possible, et parfois la visite sur terrain débauche le site en partie ou même complètement. La simulation de visites virtuelles, guidées ou pas, permettrait de satisfaire et la curiosité des amateur, et la sécurité du patrimoine. La navigation tridimensionnelle largement exploitée dans les jeux vidéo ou pour la visualisation de données
3 Chambres funéraires
4 Cercles composés de plusieurs monolithes (Stonehenge).
5 Pierres dressées et les alignements forment des rangées
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Chapitre I
ne date pas d’hier, cependant lorsqu’on souhaite visualiser de grandes unités de données, ou pire encore, si on souhaite interagir en temps réel, on se trouve confronté à de nombreuses limitations.
Dans le monde des applications existante on trouve par exemple cette phrase :
«Valoriser le fond muséographique pour chercheurs et grand public, fournir une chaîne d’acquisition d’objets muséographiques et modèle 3D texturé, avec plus de précision du : modèle 3D, la texturation et la colorimétrique », tel est l’objectif du projet G A N T O M (Génération Assistée de Numérisation et Texturation d’Objets Muséographiques ). L’une des modélisations réalisées dans le cadre de ce projet était une Céramique ornée de la côte nord péruvienne de culture Mochéenne (du IIe au VIIIe siècle après Jésus Christ), à partir des seules photographies de l’objet en utilisant les algorithmes de reconstruction géométrique développés au Centre de Robotique et les algorithmes de texturation fournis par la société SIMTEAM (École des Mines de Paris - CAOR) [7].
Fig.1. Colonne de gauche : photos de face et de profil de la statuette réelle.
Colonne de droite : images face et profil de la maquette virtuelle 3D reconstruite.
L’utilisation de l’informatique comme outil dans le domaine de l’archéologie date de plusieurs années autant dans l’assistance et la facilité offerte aux archéologues. Il y a eu des travaux concernant la Reconstruction de poteries à partir de leurs fragments [8], du fait que dans un site archéologique, on trouve souvent plus de fragments que d’objet complet, et recoller les morceaux n’a pas toujours été un agréable puzzle à rassembler, surtout lorsque des pièces sont marquées manquante.
Sommairement, dans ce premier projet, une méthodologie générale était décrite par une série d’étapes qui consistaient en :
1. La détermination de l'axe de rotation et le profil d'un fragment de poterie à partir de son modèle 3D.
2. L'analyse de la zone de cassure pour effectuer des tests d'association entre différents fragments.
3. La décision si un fragment peut provenir d’une poterie dont les caractéristiques géométriques sont déjà connues.
Un second projet, parallèlement, concernait la Reconstitution d'un objet archéologique [8]. La reconstruction virtuelle, à partir de plusieurs fragments scanné, d’une petite architecture
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Chapitre I
(100cm x 70cm) dérivée de la cathédrale Saints Michel et Gudule de Bruxelles ne permettait d'avoir qu'une partie de cette architecture. Le but du travail comportait le développement d’algorithmes permettant de fournir une reconstitution la plus complète possible de l'architecture, en se basant sur des symétries mises en évidence, et l'extrapolation de l'ensemble afin de reconstituer l'intégralité de l'architecture par génération virtuelle des fragments manquants.
Dans un troisième projet captivant intitulé Système de navigation 3D avec gestion du niveau de détails [8], on s’intéresse au rendu par niveau de détails. Cette technique réside à stocker un objet 3D à différents niveaux de détails et de visualiser à l'écran celui qui fournit une qualité de rendu suffisante compte tenu de sa distance par rapport à l'observateur.
D’autres travaux tournent autour de la numérisation de documents patrimoniaux, à fin de permettre l’accès à distance du public tout en préservant l’intégrité des documents et manuscrits. Les manipulations répétées et le feuilletage, même délicat, abîment l’ouvrage, ce n’est pas ci grave s’il s’agissait d’un exemplaire contemporains car on pourrait le sacrifier, mais dans un musée on trouve des antiquités et cela cause problème même pour la numérisation elle même.
Fig.2. Numérisation par mise à plat
La surface des livres n’est pas planes, la solution et de dévier vers le massicotage, mais c’est hors de question de manipuler de la sorte un ouvrage si précieux. La Numérisation de Documents par Photogrammétrie [9] est l’une des solutions proposée pour la préservation, et l’une de ces applications possibles est d’offrir à l’utilisateur une interface de consultation purement 3D, on pourrait plier, déplier, mettre à plat et feuilleter le livre virtuellement sans le nuire.
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Chapitre I
Il y a aussi une autre technique dite : Reconstruction 3D de documents à partir des contours [10] se posant sur les hypothèses suivantes :
• prise de vue « fronto-parallèle »
• déformation modélisée par une surface cylindrique
• document à plat rectangulaire
• point principal connu
• présence d'un contour sur la photographie
On peut imaginer que plusieurs difficultés sont rencontrées et que diverses méthodes doivent être employées pour que les résultats soient aussi convaincants que tentants.
3.6. Sécurité et Forces de l’ordre :
On veut dire par « Sécurité et force de l’ordre » tout organisme, régi et corps assurant la fonction de protéger et défendre une population. Les sapeurs pompiers, policiers, gendarmes, militaire des forces aériennes, navales et armé de terre, doivent veiller et rester sur le qui-vive pour assurer la sécurité et prémunir la sérénité des populations. Pour cela, ils doivent avoir d’excellentes formations et de bonnes préparations.
La connaissance du terrain pour eux est d'une importance vitale. De grands efforts et de gros investissements ont été faits dans la recherche et le développement des applications de modélisation de terrain pour établir la vue du terrain à partir d'un point particulier ou déterminer la position optimale des radars, de lance missiles sol-air ou des équipements de communication.
La simulation de pilotage d’avion, train ou métro; la modélisation d’assaut ennemi, ou spécification d’opération de sauvetages lors d’inondation, séisme ou irruption volcanique ; la reproduction d’évènement récent, tout cela permettrait une vue éclairée et le siège adéquat d’une situation critique. Pour les systèmes sophistiqués de guidage de missiles par exemple, la modélisation offrirait le moyen de contourner les obstacles.
Étudier des stratèges d’attaque ou de défense en temps de guerre, optimiser les déplacements avec des véhicules routiers ou hors routes, mettre en œuvre des plans de prévention et de sécurisation lors des catastrophes naturelle, élaborer des techniques d’évacuation en cas d’alertes, reconstitution de scènes de crime, et pourquoi pas imaginer des conditions délicates auxquelles il faut agir sans perte de temps mais avec beaucoup de réflexion. La troisième dimension offre l’aspect réaliste et permet d’éviter l’omission de certains détailles qui peuvent ne pas être visible étant écrits sur papiers.
Un projet intitulé Acquisition 3D de visage par vision active[11], qui consiste à la numérisation tridimensionnelle de visage à base d’un capteur stéréoscopique actif (capteur photographique combiné avec une source lumineuse), est destiné à la reconnaissance faciale à moindre coût. Ceci permettra son utilisation dans des applications biométrique où un modèle 2.5 ou 3D peut être utile pour chercher une signature anthropométrique invariante aux différentes variations subites par le visage.
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3.7. Jeux et Divertissement :
Cette dernière décennie était marquée par l’évolution rapide de l’informatique et des composantes électroniques qui constitue ce développement, accroissement de la rapidité et la puissance des PCs intégrants des cartes graphiques pour gérer des modes et des résolutions monstrueusement impressionnantes liés à l’affichage et permettant de montrer en temps réel des scènes tridimensionnelle qui contiennent quelques millions de polygones et autres effets révolutionnant ainsi l’industrie de jeux vidéo.
On en trouve à tous les goûts, jeux d’aventure (Day of Tentacle, King’s Quest, Tomb Raider), éducatifs comme les puzzle par exemple ou du genre « apprendre en s’amusant » (Carmen Sandiego, Robocode et Core War), plateforme (donkey kong , super mario brothers , lode runner, et sonic the hedgehog), jeux de courses de voitures ou motos, jeux de simulation (simulation de vol simple ou de combat, simulation ferroviaire ), jeux de sport, de stratégies, d’horreur ou même certains dits sérieux visant les adultes car ils leur enseignent des concepts réels, ils sont amusants et compétitive de sorte que les utilisateurs soient encouragés à continuer de les jouer (et donc d’apprendre).
Il n’y a pas que les jeux pour se divertir, on trouve aussi un bon nombre de logiciels de composition de music ou simulateur de chorégraphie. Il peut s'agir d'effets spéciaux dans des films (cinématographiques ou publicitaires) comme : Titanic, le 5-eme élément, Apollo 13, Matrix, Tigre et Dragon, Asterix, Alien la Resurrection, Taxi 2, Jeanne d'Arc, Le seigneur des anneaux, il y’a même des animations faites entièrement en image de synthèse : Monsters Inc, Toy Story 1 et 2, mille et une pattes, Shrek 1, 2 et 3.
Les logiciels REALVIZ ont été utilisés pour des effets spéciaux incroyables dans de nombreux films et de projets télévisuels, y compris dans la mini série de Steven Spielberg Taken, ainsi que dans : Children of Dune, Dinotopia, Meurs un autre jour, Harry Potter et la Chambre des Secrets, Minority Report, Daredevil, The Ring, Shanghai Knights, 28 Jours plus tard, Down with Love, Charlie's Angels, Shaolin Soccer, Underworld, et Spy Kids - 3D. Le logiciel REALVIZ StoryViz 2.0, permet aux directeurs, superviseurs d'effets visuels, animateurs 3D, graphistes, et réalisateurs de films de préparer, en temps réel, chaque scène d'un film avec des détails époustouflants. [6]
3.8. Conclusion :
En conclusion, la synthèse d’image se manifeste donc dans tous les usages, cependant il faut mentionner que les contraintes ne sont pas les mêmes pour tous les domaines. Dans la cinématographie on dispose de plusieurs mois pour la post-production, le temps de calcul des images ne pose donc pas de problème à l’inverse des jeux où la priorité reste la fluidité du jeux qui assure le Loisir sollicité, étant donné qu’il n’y a rien de plus agaçant qu'un jeu qui rame le résultat doit être en temps réel, et pour effectuer une telle synchronisation en réseau avec des dizaines de joueurs cette tache ardue se voit donc un véritable cauchemar pour le programmeur devant écrire un code capable de gérer les lois de physique. Le soucis des réalisateur de films concernant les effets spéciaux semble être assez complexe mais aussi divergeant de celui des jeux vidéo. La quête du réalisme reste un challenge optimum, variant
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selon la nature du long-métrage à présenter, film de fiction, documentaire, publicité, chaque domaine à ses propres besoins, parfois il s’agit de rendre une création imaginaire crédible auprès du téléspectateur, donner un aspect naturel pour qu’il puisse y croire à première vu.
Ce réalisme est souvent négligé au détriment de l’efficacité lorsqu’il s’agit de simulateur de vol par exemple, et c’est le cas de toutes les applications critiques temps réel. Dans le domaine biomédical, tel est le cas des applications vouées à la chirurgie assistée par ordinateur, il s’agit de risques majeurs ce qui explique que les enjeux cruciaux soient la robustesse et la fiabilité, puisque de simples erreurs peuvent être fatales au patient.
L’architecture à son tour – qu’elle soit navale, urbaine ou autre – elle requière une autre besogne : le détail, parfois au centimètre près. D’autre part le Design représente l’expressivité du prototype, il est donc important que le modèle soit une réplique exacte de la réalité. Et dans le monde des schémas techniques, les circuits électroniques, ainsi que l’installation électrique ou réseaux de tuyauteries industrielles, on se retrouve forcés de s’appliquer à la lettre pour chaque mesure lors de la modéliser de telles conceptions.
4. Les phases de l’image de synthèse :
Le but visé est d’arriver à faire paraître le monde résultant de cette reconstitution – bien qu’il soit virtuel – avec une grande ressemblance avec l’univers réel. La vue étant probablement le sens le plus utilisé (surtout par l'informatique), a fait que les technologies permettant de réaliser des images de synthèse soient très importantes en ce qui concerne la reconstruction.
Selon la définition classique, en toute généralité, l'image de synthèse consiste en la génération d’images par ordinateur à partir d'une maquette numérique en 3D, partant des primitives graphiques de base, jusqu’au calcul d'images très complexes. Dans ce processus de création, on distingue la modélisation d'objet, le rendu de la scène et son affichage, et selon le besoin d’autres facteurs seront pris en considération : la navigation, l’animation, le degré de réalisme.
On différencie donc deux sortes d’images de synthèse qu’on classe selon ces critères : l’Animation (des images fixes ou animées), et l’Interactivité (des images interactives ou non interactives). Ces images sont usitées dans différentes applications notamment classiques ou publicitaires. Il s'agit de représenter avec ces images des objets existants réellement se trouvant dans des situations difficilement reproductibles, par exemple l’aboutissement d’une cascade dangereuse dans un film, ou la visualisation d’une scène sous un angle impossible à réaliser en réalité, ou plus encore, simulation d’impacte ou démantèlement de site nucléaire.
Une seconde approche concerne la création d'objet ou scène ayant un aspect réaliste, mais qui est en fait de pure création, telle que procréer des animaux préhistoriques, simuler leur comportement et introduire des effets spéciaux sonores pour imiter leurs cris que nul n’est sensé connaître, laissant à l’imagination tout un univers à explorer.
La synthèse d’images animées se pose sur trois piliers, la modélisation des objets ou d’une scène, le rendu d’image (à partir des objets, matières, éclairages, caméras…) et l’animation
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spécifier ou calcule de mouvements et déformations. En voilà quelques images artistiques [12] pour donner une simple idée de l’évolution courante dans ce domaine où on a vraiment du mal à distinguer le virtuel ou l’artificiel, du réel avec une telle résolution et précision au niveau des détails.
Fig.3. 'Self-Illumination' [13] Fig.4. 'Relaxing Spa' [14]
Fig.5. 'Homage to Master Claesz' [15]
4.1. La modélisation :
L'élaboration d'une image commence par la constitution d'un modèle de l'objet, appelé maquette numérique, qui est la représentation informatique de cet objet à partir d'informations géométriques. La méthode la plus classique consiste à raisonner en termes de surfaces.
Chaque objet peut être décomposé en « facettes » ou polygones, qui, mis bout à bout, permettent de rendre compte de l'enveloppe extérieure. Autant qu’une maquette comporte de plus de polygones, autant que l'image qui en résulte est plus précise.
Au moment de l'affichage, l'objet ainsi reproduit se présente sous forme de juxtaposition de facettes, dite « structure en fil de fer ». Il s'agit d'une représentation purement géométrique qui
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ne prend pas en compte les caractéristiques optiques de l'objet. Pour prendre un exemple, un dé comporte six faces, dont trois seulement au maximum sont visibles en même temps, puisque chaque face masque plusieurs autres. Dans la maquette numérique, en fil de fer, les six faces sont représentées. Une fois les objets modelés, ils peuvent être animés.
4.2. Le rendu :
C'est le calcul du rendu qui fabrique véritablement l'image de synthèse. Le calcul varie selon l'utilisation de l'image, selon le degré de réalisme que l'on cherche et la puissance de la machine utilisée. Le rendu se décompose en plusieurs phases :
4.2.1. Le texturage :
Chaque objet a un aspect, une texture, qui permet de déceler en un instant s'il s'agit de pierre, de bois, de tissus et ainsi de suite. Le texturage consiste à appliquer sur une surface un motif qui respecte les caractéristiques d'une matière, pour suggérer visuellement la nature de cette surface, comme par exemple le revêtement d'un mur ou une peau sur un squelette (en l'espèce, le modèle géométrique). C’est l'une des principales composantes du rendu réaliste de l'image.
4.2.2. L’ombrage :
Une fois texturée, l'image doit faire l'objet du traitement des ombres et des intensités de lumière (lorsque le passage de l'ombre à la lumière se fait de manière continue : chaque point est affecté d'une luminosité différente, créant un dégradé de couleur qui permet de rendre compte des éclairages). Les propriétés de réflexion des objets rentrent aussi en jeu : chaque matériau absorbe ou renvoie la lumière. Cette propriété va jouer sur l'objet lui-même (les reflets, le scintillement) mais aussi sur les objets à proximité, puisque la lumière est envoyée sur les objets voisins.
Il existe diverses techniques de rendu. Le « lancer de rayons » ou ray tracing, permet d'obtenir un « réalisme rutilant », par une simulation de l'optique géométrique, les rayons se reflètent ou se réfractent selon les matériaux. La radiosité permet d'obtenir un « réalisme feutré » calculé à partir des propriétés de réflectivité des matériaux. La lumière est analysée comme échange d'énergie entre surfaces, ce qui permet d'obtenir des lumières tamisées et des pénombres.
4.3. L'animation
Pour chaque objet, on indique comment il va évoluer dans le temps et dans l'espace, avec des algorithmes qui reproduisent des mouvements ou des lois de comportement (dynamique, cinématique, déformation, vieillissement...). Lorsqu'un comportement humain n'obéit à aucune « loi » déterminée (la marche, la danse, par exemple), l'animation peut être réalisée en partant des mouvements analysés sur une personne déterminée. Ce procédé, dit de
« motion capture », consiste à placer sur une personne un certain nombre de capteurs qui vont rendre compte avec précision des mouvements réalisés. Il est ainsi possible, par exemple, de capturer le mouvement d'un joueur de football pour pouvoir ensuite le reproduire sous la forme d'image de synthèses.
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L’animation de scène concerne aussi l’éclairage et la luminosité. Une plante ayant une couleur nacrée et manquant de luminosité sa vision est frappante, on a tout de suite l’impression qu’elle est « Anormale », sans vie, immobile et vide. La lumière est donc une animation « trompe œil » si on ose dire, ou ce qu’on appelle « illusion d’optique », on donne l’exemple de l’image qui suit, où on a l’impression que les points blancs deviennent noirs:
Fig.6. [16]
Fig.7. On a l’impression que la fille fait partie du « casse tête ».
4.4. D’autres propriétés :
4.4.1. L’affichage en « temps réel »
La caractéristique qui différencie la représentation en 3D utilisée pour la réalité virtuelle de celle utilisée dans les films d'animations est le temps de calcul. En effet, pour une bonne fluidité d'image, les opérations d'animations, de texturage, d'ombrage...doivent être effectuées au minimum 30 fois par seconde, et avec un temps de réponse aux commandes de l'utilisateur très bref. Il faut donc des machines suffisamment puissantes.
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4.4.2. Le réalisme
Avant de pouvoir parler de réalité virtuelle, il faut définir un univers, avec ses propres règles qui peuvent être plus ou moins proche de celles du monde réel. Un jeu vidéo, qui utilise des règles inspirées de notre monde (par exemple la gravité) mais aussi d'autres totalement imaginaires, utilise ainsi un univers virtuel qui est totalement différent de celui généré pour satisfaire aux simulations d'essais nucléaires.
Le degré de réalisme de l'univers virtuel est en général fonction de la finalité de l'application, mais aussi et surtout de la puissance de l'ordinateur faisant fonctionner l'univers.
Plusieurs éléments jouent sur le degré de réalisme d'un système. On peut par exemple citer le respect des lois de la physique (gravité...) mais aussi la vraisemblance des comportements des habitants virtuels de l'univers gérés par l'ordinateur
La rapidité de réaction du système (aux actions des utilisateurs ou aux événements internes) est aussi une condition importante. En effet, le moindre temps d'attente peut nuire à
l'impression de réalisme. Par exemple, un décalage d'un centième de seconde est perceptible par l'utilisateur.
4.4.3. La navigation
L'utilisateur doit pouvoir se mouvoir dans l'image générée par le système. Il doit être capable de se déplacer librement et pouvoir regarder ou il veut. Cette liberté est rendue possible par les techniques d'imagerie 3D, et améliorée par plusieurs dispositifs hardware qui rendent la navigation plus intuitive et réaliste. Cette possibilité correspond, si on l'applique, par exemple au cinéma, à pouvoir regarder une même scène selon divers angles.
4.4.4. L'interactivité
L'interactivité est considérée comme un élément essentiel procurant un sentiment d’appartenance et de fusion avec le monde modélisé. Les utilisateurs doivent pouvoir influencer les événements qui ont lieu dans le monde virtuel, interagir avec et non pas uniquement les observer. Au lieu de n’être qu’un spectateur on en devient acteur, on participe par la moindre action.
4.4.5. Intelligence artificielle
L’introduction d’une forme d’intelligence offre une certaine crédibilité de ce qui a été modélisé, elle procure la distinction de chaque élément de ses semblables ayant ses propres caractéristiques. Prenant l’exemple des jeux vidéo, chaque personnage pourrait être considéré comme indépendant, en introduisant les notions de groupe, appartenance, survie, ennemi et ami cela donne l’impression qu’ils sont vivants, et leur doter d’une base de connaissance et une base de règle leur permettant ainsi d’agir face à des situations différentes sans pour autant être prise en compte à l’avance. Le joueur aura l’impression de vivre son jeu et d’avoir à faire à des personnages réels. Le jeu n’est plus automatisé, il pousse à l’improvisation, et la multitude de situations le rend inlassablement amusant.
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En parlant d’intelligence artificielle, on introduit inévitablement la technologie d’agents intelligents, ou plutôt « multi-agent », chacun réalisant une tache spécifique, en coopération ou en concurrence, pouvant interagir et communiquer avec les autres tout en gardant la cohérence au sein d’une activité globale distribuée. Selon ce que notre agent représente on lui affecte des propriétés lui permettant le comportement souhaité, que ce soit une disposition à communiquer, à agir ou prendre des décisions, tout dépend de ses besoins et objectifs en se servant de ce qu’il dispose. Par exemple un agent pourrait être capable de :
- Agir dans son environnement.
- Communiquer avec d'autres agents.
- Etre autonome.
- Posséder des ressources propres.
- Percevoir son environnement et de s'adapter à ses modifications.
- Se servir de ses compétences pour offrir des services.
- Peut éventuellement se reproduire.
4.4.6. Le son en trois dimensions
Le son est un élément important du réalisme. On peut penser, par exemple, au bruit des pas, la cadence des averses, le son du toner, le gazouillement des oiseaux, le vacarme des voitures et machines industrielles.
Ces sons peuvent être enregistrés pour être utilisés ou alors produit aussi grâce à des techniques informatiques tout comme est le cas de la music électronique. Pour pouvoir être correctement rendu et donner l’air que le bruit provient réellement de l’événement qui le produit, le son doit donc être synthétisé en même temps que son événement générateur.
Prenant encore l’exemple du bruit de pas, il doit se produire au moment même que le pied touche terre, et le son doit être faible si la position est assez loin, et s’amplifie graduellement de son approche. Autrement dit on doit placer le son au bon endroit dans l’espace.
Il existe diverses technologies qui répondent à ces critères. Celles-ci utilisent souvent les techniques inventées pour le cinéma ou le home cinéma (THX, Dolby Digital, DTS...) en les adaptant au monde de l'informatique. On fait appel à l’utilisation d’un ensemble de haut- parleurs : 2 voies avant, 2 voies arrière, 1 voie centrale, un caisson de basses. Cela permet une très bonne représentation tridimensionnelle du son.
5. Modes et techniques de modélisation :
En ce temps, qui dit « modélisation » dit forcement « troisième dimension », celle qu’on ne perçoit pas sur une image plane figée. On peut distinguer plusieurs usages à la modélisation multimédia, elle représente une solution efficace, expressive, et le fait qu’elle soit concise ne l’empêche d’être précise. Dans le e-commerce par exemple, on constate le besoin d’exhiber des produits commerciaux à fin de les présenter aux clients, qu’il s’agisse de jouets pour enfants, d’appareils électroménagers, des meubles ou même du prêt à porter, la publicité dans toutes ses formes de réclame est fortement souhaitée. L’image devrait être réaliste et les effets naturels pour que ce soit crédible, le facteur de temps est
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