Exactitude, précision et résolution de scan 3D : quelle est la différence ?
L’exactitude, la précision et la résolution sont trois des indicateurs les plus importants des performances du scan 3D. Pourtant, ils sont souvent mal compris. Dans cet article, nous allons définir et comparer chaque caractéristique dans le contexte d’une application spécifique, et vous donner des conseils pour optimiser les résultats au fur et à mesure.
Introduction
Avant de nous plonger dans le fonctionnement interne des scanners 3D, prenons le temps de définir nos trois termes clés. Dans le domaine de la mesure, l’exactitude fait référence à la proximité des données capturées par rapport aux dimensions réelles. La précision décrit la cohérence des mesures, tandis que la résolution mesure le volume d’informations qu’un appareil peut capturer à partir d’une zone donnée de la surface d’un objet, du moins au sens large. Il existe différentes formes de résolution que nous aborderons plus loin.
Pour une définition complète de chaque terme, le Comité commun pour les guides en métrologie (JCGM) et l’Organisation internationale de normalisation (ISO) ont également conçu des ressources approfondies. Nous intègrerons des liens vers les pages concernées tout au long de cet article.
Point clé
L’exactitude, la précision et la résolution sont des paramètres essentiels du scan 3D, mais chacun a un impact différent sur les résultats.
Votre application de scan 3D vous amènera probablement à traiter ces caractéristiques techniques avec plus ou moins d’importance, mais chacune d’entre elles a un impact sur les résultats. Si vous travaillez dans le domaine de la rétro-ingénierie ou du contrôle qualité, l’exactitude et la précision des systèmes de mesure seront une priorité absolue. Les modélisateurs CGI, quant à eux, sont plus susceptibles de se concentrer sur la haute résolution pour un plus grand réalisme.
Il est donc essentiel de comprendre les trois mesures de performance du scan 3D pour exploiter au mieux cette technologie. Cependant, compte tenu de la fréquence à laquelle l’exactitude, la résolution et la précision sont mal utilisées (même au sein de l’industrie), il est clair que la confusion règne encore sur la façon dont il faut les comparer. La précision et l’exactitude, par exemple, sont parfois utilisées pour décrire la capture des détails de surface, alors qu’en fait la qualité des données de surface se résume à la résolution.
Les choses sont d’autant plus compliquées que l’exactitude, la précision et la résolution ont beau être différentes, elles peuvent tout de même s’influencer mutuellement. Pour y voir plus clair, plongeons dans le monde des caractéristiques techniques du scan 3D. Attachez vos ceintures, ça va devenir technique !
Exactitude
L’exactitude du scan 3D se mesure soit par point, soit de manière volumétrique. La plupart des caractéristiques techniques des scanners 3D indiquent l’exactitude d’un seul scan, c’est-à-dire dans quelle mesure les mesures réelles d’un objet peuvent être obtenues à partir d’une seule image capturée. En mesurant le volume combiné de toutes les différentes vues d'un objet capturées lors du scan 3D, il est également possible d'identifier l’exactitude volumétrique.
L’exactitude peut varier d’une direction à l’autre à l’intérieur d’un volume de scan (ou même dans des sous-volumes), c’est pourquoi elle est mesurée par rapport à un objet de référence, la valeur la plus défavorable étant celle indiquée par les fabricants. Par conséquent, lorsque nous parlons d’exactitude volumétrique, nous nous référons en réalité au « volume de mesure total » capturé.
Si, par exemple, nous devions scanner en 3D une pièce de monnaie (sans rien d’autre autour d’elle), le volume total mesuré serait celui de l’objet. Cela signifie que la distance de scan n’a pas d’incidence sur le paramètre : le niveau d’erreur minimal indiqué par le fabricant sera respecté dans les deux cas.
Il s’agit plutôt d’une question de taille de la scène capturée, car l’exactitude volumétrique diminue pour les objets plus grands. Ainsi, cette caractéristique technique sert surtout de référence pour évaluer la capacité d’un système de mesure 3D à capturer des objets à l’échelle.
Quelle que soit la manière dont on l’évalue, le niveau d’exactitude que l’on peut aujourd’hui atteindre avec le scan 3D est assez incroyable. Les scanners 3D à lumière structurée portables capturent généralement des surfaces avec une exactitude de 0,01 à 1,0 mm, mais il est possible d’obtenir des scans encore plus proches de la réalité. Les solutions de bureau comme l’Artec Micro II, par exemple, sont capables de scanner en 3D avec une déviation de seulement 0,005 mm (ou 5 microns).
Bien entendu, tout ce qui précède s’accompagne d’une mise en garde concernant « l’incertitude des mesures ». L’exactitude des scans est souvent mesurée en comparant des nuages de points à des objets géométriques ajustés. En effet, les scanners comportent un niveau d’« erreur » inhérent qui nous empêche d’effectuer une comparaison avec une « valeur réelle » Mais nous pouvons au moins identifier la plage d’erreur, et l’exactitude mesurée de référence se situera à l’intérieur de cette plage.
Outre la distance, les conditions de capture et la technologie sont également des critères essentiels pour optimiser l’exactitude. Alors que le LiDAR capture des mesures moins précises que la lumière structurée, il est mieux adapté au scan à distance. La photogrammétrie non métrologique, quant à elle, est encore moins fiable pour la capture de données précises, mais permet d’obtenir des modèles ultra-réalistes.
En matière d’optimisation de la capture des données, le perfectionnement de votre technique améliorera également les résultats, tout comme l’optimisation des conditions, l’excès d’éclairage et de température étant susceptible de fausser votre scan.
Point clé
Souvent confondues, l’exactitude et la précision sont très différentes. L’une reflète les déviations entre les valeurs mesurées et les valeurs de référence, l’autre indique la répétabilité et la reproductibilité.
Précision
En général, la précision est souvent utilisée comme synonyme d’exactitude. Comme l’exactitude, la précision est difficile à chiffrer en raison de l’incertitude des mesures, mais dans le contexte du scan 3D, elle se réfère davantage à la régularité de la capture.
Alors que l’exactitude du scan est mesurée par la proximité d’une valeur mesurée par rapport à une valeur de référence, la précision est déterminée par des tests répétés, une faible différence entre les mesures indiquant une performance élevée.
Là encore, des changements dans les conditions de mesure peuvent influencer la répétabilité des résultats. Par conséquent, l’utilisateur, l’environnement et l’uniformité du système de mesure 3D sont essentiels pour optimiser la précision. Bien que cela dépende de votre appareil, vous pouvez souvent atteindre une précision submillimétrique, suffisante pour la rétro-ingénierie et le contrôle qualité, même dans des environnements industriels exigeants.
Selon la norme ISO relative à la précision, il ne s’agit pas seulement de répétabilité, mais également de « reproductibilité ». Dans le premier cas, on suppose que les mesures sont prises par un seul opérateur avec le même appareil à intervalles réguliers, tandis que dans le second, on tient compte de la variabilité dans chaque domaine. Ensemble, ils indiquent les deux extrêmes de la précision : les résultats minimaux et maximaux.
Point clé
Une précision submillimétrique est essentielle pour obtenir les mesures répétables nécessaires à la rétro-ingénierie et à l'inspection.
Il convient également de noter que la précision est nécessaire à l’exactitude, mais que l’inverse n’est pas vrai. En effet, un scanner 3D peut être précis et capturer le même point à chaque fois, mais en raison de problèmes d’étalonnage, il peut produire un résultat avec un « biais de mesure », ce qui entraîne une lecture inexacte. Il ne s’agit là que d’un exemple de mélange entre l’exactitude, la précision et la résolution. Nous en étudierons d’autres plus tard !
Résolution
Généralement mesurée à l'extrémité du champ de vision d’un appareil pour obtenir les meilleurs résultats, la résolution est définie comme le plus petit incrément entre deux points dans un nuage de points de données 3D capturés. La résolution détermine également la taille de chaque partie d’un maillage triangulé, les triangles plus petits produisant des modèles plus détaillés.
Toutefois, lors de l’acquisition d’un nouveau scanner 3D, il est toujours utile de vérifier ce que le fabricant entend par résolution. Il y a la résolution du maillage (la résolution maximale du modèle final), la résolution de l’espace 3D (la densité des points 3D dans un espace donné) et la résolution de l’image unique (la densité des points 3D dans chaque image avant l’enregistrement).
En fonction de votre application, vous pouvez également rencontrer la résolution structurelle (la taille de la plus petite structure mesurable séparément), et la résolution métrologique (le plus petit changement perceptible entre une dimension connue et une quantité mesurée).
Il faut toutefois émettre quelques réserves sur chacun de ces termes. La résolution du maillage (configurable par l’utilisateur lors de la fusion du maillage) peut également atteindre des niveaux submillimétriques. Mais comme elle dépend de la trajectoire, du bruit et de nombreux autres facteurs, elle est toujours exprimée comme « jusqu’à » une valeur.
De même, la résolution spatiale 3D est mesurée par le nombre de points de données capturés par cm2 à une certaine profondeur. Ainsi, plus un appareil est éloigné d’une quantité mesurée, moins il peut projeter de points sur sa surface, ce qui se traduit par des numérisations à faible résolution.
Point clé
Il est possible d’améliorer la résolution avec des scans mis à l’échelle, mais vous aurez besoin d’un équipement haut de gamme pour obtenir les meilleurs résultats.
Toutes les caractéristiques techniques évoquées ci-dessus ne dépendent pas de l’équipement. Si vous disposez d’un scanner bas de gamme, vous pouvez toujours utiliser des techniques telles que l’interpolation (ajout de points calculés entre deux points mesurés). Cela n’améliorera pas la résolution structurelle, vous ne pourrez donc pas traiter des éléments plus petits qu’auparavant, mais cela améliorera la résolution du maillage. Cela dit, investir dans un scanner 3D équipé de caméras haute résolution est le meilleur moyen de capturer des détails de texture optimale à chaque fois.
Différence entre exactitude et précision
Bien que toutes deux importantes pour mesurer l’erreur d’observation, l’exactitude et la précision du scan sont évaluées selon des critères complètement différents. La première est comparée à une valeur de référence, à savoir les dimensions d’un objet cible, et le résultat indique dans quelle mesure il est possible d’atteindre cette même valeur. La seconde est mesurée par rapport à des scans antérieurs effectués dans des conditions identiques.
Ensuite, il y a le manque de corrélation entre les deux. Comme vous pouvez le voir dans l’image ci-dessous, toutes deux sont nécessaires pour capturer des données 3D utilisables, mais il n’y a aucune garantie de réussite. L’exactitude et la précision se recoupent dans la manière dont elles peuvent être améliorées : la prévention de la diffusion de la lumière pendant le scan est indispensable pour optimiser la capture des données pour toutes les deux.
Différence entre exactitude et résolution
L’exactitude consiste à générer un nuage de points 3D dont les dimensions sont très proches de celles d’un objet scanné en 3D, tandis que la résolution fait référence au nombre de points capturés et à leur proximité les uns par rapport aux autres.
Il n’est donc pas vraiment possible de comparer l’exactitude et la résolution. Toutefois, si l’on considère que des scans moins détaillés produisent des données avec moins de triangles après triangulation, il est possible que la résolution ait un impact sur l’exactitude. La réduction des détails n’est pas en soi le résultat d’une mauvaise exactitude, et les deux mesures ne sont donc pas inextricablement liées, mais il convient de noter que l’exactitude est la somme de plusieurs éléments.
Ceci est également visible dans le logiciel de capture et de traitement des données de scan 3D Artec Studio, qui comporte un mode HD haute résolution capable de réduire les bruits de surface et de générer plus de points, ce qui améliore l’exactitude. Grâce à sa capacité à reconstruire les surfaces sur les inclinaisons et les petits objets, Artec Studio permet également d’ajuster les primitives CAO, ce qui augmente encore la précision.
Différence entre résolution et précision
La résolution et la précision sont moins souvent confondues, mais il convient tout de même de souligner la différence entre les deux. L’une concerne le nombre de points de données capturés lors du scan 3D, l’autre décrit la régularité avec laquelle ils sont capturés.
Néanmoins, selon votre secteur d’activité, la résolution et la précision peuvent être aussi importantes l’une que l’autre en termes de résultats. Si, par exemple, vous devez inspecter de manière répétée des produits présentant des géométries complexes et des surfaces compliquées, il est essentiel d’obtenir des données précises et détaillées.
Où l’exactitude, la précision et la résolution sont-elles indispensables ?
Partout où l’on regarde, de la santé à l’éducation en passant par l’aérospatiale et la défense, le scan 3D est utilisé pour capturer des données exactes, précises et haute résolution. Mais dans certains domaines, ces aspects sont plus importants que d’autres.
Lors de la capture d’objets pour la rétro-ingénierie, par exemple, la précision submillimétrique est essentielle afin de générer un maillage suffisamment proche de l’original pour la modélisation 3D. Prenons l’exemple de l’avion Sadler Vampire scanné en 3D par 3DMakerWorld. Sans les données d’une exactitude de 0,1 mm capturées par l’Artec Leo, il serait impossible de réaliser la rétro-ingénierie des pièces de rechange, comme le souhaitait son client.
Point clé
En fonction de votre domaine d’activité, vous pouvez donner la priorité à l’un ou à l’autre, mais l’exactitude, la précision et la résolution s’appliquent à tous les secteurs.
Lorsque vous devez capturer des géométries répétitives avec le moins de déviation possible, le scan 3D de précision est tout aussi important. GoMeasure3D l’a démontré en utilisant Leo pour capturer et inspecter des sections entières de voies ferrées, l’idée étant que les déviations peuvent être détectées plus tôt afin de prévenir les incidents ferroviaires grâce au scan 3D.
La résolution, pour sa part, est essentielle pour les modélisateurs 3D qui créent des copies numériques ultra-réalistes. On le constate dans des domaines tels que la préservation du patrimoine, la criminalistique et la CGI. L’une des applications les plus impressionnantes du scan 3D en CGI a vu le célèbre créateur d’effets spéciaux Kazu Hiro utiliser Leo et Artec Space Spider pour capturer le visage des acteurs avec un niveau de détail incroyable.
Bien entendu, il ne s’agit là que de quelques exemples des possibilités offertes par le scan 3D de qualité professionnelle. La capture avec une exactitude, une précision et une résolution élevées permet d’en découvrir bien d’autres.
Comment obtenir les meilleurs résultats de scan 3D
Comme votre scanner 3D perd automatiquement en exactitude et en précision au fil du temps, il est important de l’étalonner régulièrement. Selon l’appareil que vous adoptez, cela peut impliquer l’utilisation occasionnelle d’une planche d’étalonnage ou l’étalonnage de la cible à chaque fois que vous l’allumez.
Point clé
Si les compétences de l’utilisateur, l’étalonnage et les conditions ont tous un impact, seule le scan 3D professionnel permet d’obtenir des performances optimales.
Comme en témoignent les applications mentionnées ci-dessus, le scan 3D est aujourd’hui utilisé dans un si grand nombre de secteurs différents qu’il est impossible de trouver une solution unique. Il est donc essentiel d’identifier dès le départ les besoins de votre application spécifique, ce qui pourrait vous amener à privilégier l’exactitude, la précision ou la résolution (voire les trois). Investir dans un système de mesure qui ne capture pas toutes les données requises peut s’avérer une erreur coûteuse.
D’autres facteurs, tels que l’environnement de scan et la distance, ont également un impact sur les résultats, la précision et la résolution étant toutes deux inférieures lorsque le scan est effectué à distance. La bonne nouvelle, c’est qu’il existe aujourd’hui sur le marché de nombreux scanners 3D polyvalents, ainsi que des appareils montés sur trépied comme l’Artec Ray II, qui affiche une portée de plus de 140 m et une exactitude de 1,9 mm. Il y a donc forcément un appareil qui répond à vos besoins.
Enfin, l’exactitude, la précision et la résolution sont essentielles pour les applications professionnelles telles que la modélisation 3D, la rétro-ingénierie et le contrôle qualité. Maintenant que vous comprenez le fonctionnement de chacun de ces éléments, vous pouvez optimiser les résultats dans chacun de ces domaines. Et comme les logiciels et les équipements continuent de se perfectionner, la technologie ne cessera de s’améliorer dans ces trois domaines.
