Créer un modèle 3D : photogrammétrie vs scan 3D
Le processus de création d'un modèle 3D démarre par le choix de l’outil à utiliser, et ce choix dépend principalement de l’utilisation donnée au modèle 3D. Le scan 3D et la photogrammétrie comptent parmi les outils les plus populaires. Dans cet article, nous vous expliquons lequel de ces outils utiliser pour un projet spécifique et comment combiner ces deux méthodes.
Scanners 3D
Si vous débutez dans le scan 3D, nous allons vous expliquer le fonctionnement de la numérisation 3D et décrire les principaux types de scanners 3D qui existent sur le marché. Ces informations seront utiles pour comparer cette technologie avec la photogrammétrie.
Le scan 3D est une technologie qui permet de transformer un objet physique (ou plus précisément des données concernant sa forme et sa couleur) en modèle numérique. Une fois que la réplique d’un objet se trouve sur un ordinateur, les possibilités sont infinies : il est possible d’inspecter cet objet, de le mesurer, le modifier, le soumettre à des tests de résistance, d’effectuer des simulations, de le partager ou encore de l’importer dans un environnement de RA/VR...
Point clé
Le scan 3D est de plus en plus utilisé pour inspecter, mesurer et numériser des objets dans les secteurs de l’industrie, de la médecine, de l’automobile, du CHI, de l’aéronautique et de l’archéologie, parmi tant d’autres.
Comment obtenir une reproduction numérique précise d’un objet ? Pour faire simple, la réponse est : avec un scanner 3D. Les outils de numérisation 3D ont évolué de manière significative au cours des dernières décennies. Les technologies traditionnelles éprouvées évoluent, et de nouvelles font leur apparition. À l’heure actuelle, les outils de numérisation 3D les plus utilisés sont les scanners à lumière structurée et à triangulation laser.
Scanners à lumière structurée et à triangulation laser
Le mécanisme de ces dispositifs est très similaire : le scanner projette de la lumière sur la surface d'un objet, au contact duquel le faisceau lumineux est réfléchi vers le scanner. La caméra analyse alors la déformation de ce faisceau. La différence est que les scanners à lumière structurée envoient des faisceaux de lumière blanche et bleue en forme de grillage, tandis que les scanners à triangulation laser émettent de simples lignes.
Pendant la numérisation, le scanner 3D génère des millions de points à la surface de l’objet cible. Le logiciel du scanner analyse alors les distorsions mentionnées précédemment, mais aussi le positionnement de chacun de ces points, afin de reconstruire la forme de l’objet sous forme numérique.
Dans les méthodes de scan à lumière structurée et à triangulation laser, cet ensemble de points 3D s’appelle « nuage de points ». Il peut être transformé en modèle de maillage 3D. Selon le programme utilisé pour fabriquer ce maillage, la topologie peut être composée de faces triangulaires ou carrées, mais, dans tous les cas, les modèles consistent en des millions de faces réunies. La conversion permet une utilisation plus aisée du modèle digital de l’objet cible dans les domaines de la rétro-ingénierie, du CAO, de la RA et de la VR, dans les buts décrits ci-dessus.
Les technologies de scan 3D à lumière structurée et laser s’avèrent particulièrement efficaces si l’objet à scanner est relativement petit (de quelques millimètres à quelques mètres). Grâce aux scanners 3D portables, ce processus est ultra-rapide, et le modèle 3D final sera extrêmement précis et fidèle à l’original.
Technologie de numérisation 3D à temps de vol
Lorsque la taille de l’objet (hauteur ou longueur) dépasse quelques dizaines de mètres, il faut opter pour un scanner 3D à temps de vol, également appelé scanner à impulsions laser. Ces scanners sont des appareils à longue portée : contrairement aux scanners à lumière structurée ou à triangulation laser, la distance entre un scanner à temps de vol et l’objet peut aller de quelques mètres à plusieurs centaines, voire des milliers, de mètres.
Comment fonctionne cette technologie ? Le scanner émet des impulsions laser. Les impulsions renvoyées d’une surface sont captées par le récepteur du scanner, qui calcule le délai (en fractions de seconde) entre l’émission et sa réflexion. Les données des millions d’impulsions renvoyées permettent au scanner de recréer la surface de l’objet cible. La précision varie en fonction de la solution utilisée et de la surface numérisée. Si vous numérisez un bâtiment avec un scanner 3D stationnaire placé sur un trépied, vous obtiendrez des scans d’une précision de quelques millimètres seulement. Si, au contraire, vous devez cartographier un vaste territoire et que vous devez scanner les données depuis un avion ou un drone, vos tolérances pourraient être de plusieurs centimètres.
Les avantages et les inconvénients des scanners 3D
Vous pourrez déduire de la première partie de cet article que les scanners à lumière structurée, à triangulation laser ou à temps de vol peuvent tous fournir des répliques numériques précises d'objets relativement petits ou de grandes surfaces. La précision des données spatiales qu’offrent les solutions de scan 3D en fait un outil indispensable dans des domaines où une erreur de précision peut avoir des conséquences irréversibles ou désastreuses. Les scanners 3D sont largement utilisés dans le design industriel et l’ingénierie, où des spécialistes formés les emploient à des fins très diverses : pour développer des produits électroniques, assurer le bon fonctionnement de canalisations, et inspecter la qualité de pièces mécaniques fabriquées en série.
Dans le domaine de la santé, les applications des scanners 3D sont multiples, de la conception de prothèses et d’implants sur mesure durables à l’évaluation des résultats de chirurgies esthétiques avant et après une opération. Dans les secteurs de l’art, du divertissement, de la science et de la muséographie, les scanners 3D permettent de créer des jumeaux numériques d’acteurs, de numériser des fossiles de plusieurs millions d’années sur des sites de fouilles et dans des archives de musées et de faire avancer la recherche dans les domaines de l’anatomie, la paléontologie et même l’exploration spatiale. Enfin, de plus en plus de spécialistes en anthropologie médico-légale ont recours à la numérisation 3D pour récolter des données sur une scène de crime de manière rapide et précise.
Outre ces applications diverses, les scanners 3D se distinguent par leur facilité d’utilisation. Par exemple, les scanners portables sont des appareils légers qui permettent de tourner autour d’un objet pour numériser chaque partie de la surface. Les scanners 3D les plus perfectionnés proposent des solutions tout-en-un : ils disposent d’un écran tactile intégré qui permet de faire le suivi de l’avancement de la numérisation en temps réel sur l’écran du scanner, sans ordinateur portable ou tablette. Comme il n’est pas nécessaire de disposer d’un ordinateur portable ou d’une tablette, il est possible de se déplacer librement autour de l’objet cible en se libérant des contraintes des câbles et des fils.
Les utilisateurs apprécient de pouvoir visualiser les données numérisées en temps réel, car cela leur permet de savoir rapidement et facilement s’ils ont capté chaque zone de l’objet cible. Nous allons bientôt parler des avantages et des inconvénients de la photogrammétrie. Cependant, il est important de noter que ce dernier point constitue un avantage notoire des scanners 3D avec écran intégré. En effet, ils permettent de connaître immédiatement les données obtenues et les données manquantes.
En outre, comme indiqué précédemment, les scanners 3D numérisent la forme de l’objet, et certains peuvent également acquérir les données concernant sa couleur ou sa texture. Bien que la précision soit un atout indéniable du scan 3D, les résultats peuvent être améliorés par l’éclat des couleurs offert par la photogrammétrie.
La photogrammétrie
La photogrammétrie est une technologie qui permet d’obtenir des modèles d’objets 3D en combinant plusieurs de leurs photos. Contrairement aux technologies de scan 3D professionnelles décrites ci-dessus, la photogrammétrie ne requiert pas de scanner 3D. Le seul élément nécessaire pour générer des photos est... un appareil photo ! Nul besoin d’avoir un appareil perfectionné : les photos prises avec un smartphone ou un drone suffisent. Les clichés en 2D de l’appareil photo sont traités dans un logiciel de photogrammétrie. Plusieurs facteurs sont pris en compte, comme la distance focale de l’appareil photo, la distorsion et la résolution de l’objectif, la position et l’inclinaison de l’appareil lorsque la photo est prise, mais aussi le champ de vision et le chevauchement des photos de différentes zones contiguës.
Logiciel de photogrammétrie
Outre les applications gratuites, qui ne produisent pas toujours des résultats de qualité et offrent un service client limité ou nul ainsi qu’un piètre choix d’outils de traitement et d’édition, il y a deux grandes marques dans l’industrie : Reality Capture et Metashape. Reality Capture propose un workflow plus flexible et intuitif et de nombreuses façons de modifier les données originales. Le logiciel, dont le téléchargement est gratuit, permet de créer des modèles 3D.
Si le modèle 3D correspond à vos besoins, vous pouvez le télécharger moyennant un coût. En outre, Reality Capture réalise des calculs 10 fois plus rapidement que son principal concurrent. La marque Metashape a, quant à elle, un atout indéniable : son service client et sa vaste communauté d’utilisateurs, qui permettent d’obtenir des conseils et de l’aide en cas de besoin. Par ailleurs, la société met à disposition beaucoup de matériel de formation et offre un accès à une galerie impressionnante de modèles 3D. De nombreux utilisateurs considèrent que Metashape offre une précision supérieure à Reality Capture.
Pour ceux qui recherchent d’autres options, 3DF Zephyr et Meshroom ne cessent d’améliorer leurs fonctionnalités de photogrammétrie déjà très performantes. Par ailleurs, Colmap, une solution gratuite développée à l’origine pour la recherche, offre une alternative simple et économique.
Les avantages et les inconvénients de la photogrammétrie
Un atout considérable de la photogrammétrie est le faible coût des appareils photo utilisés. De nos jours, les smartphones sont dotés de caméras de 16 mégapixels, qui permettent de prendre des photos avec une profondeur de couleur suffisante pour la photogrammétrie. À l’instar de la numérisation 3D, la photogrammétrie est une méthode qui permet de scanner un objet sans contact. Les appareils de photogrammétrie, qu’il s’agisse d’appareils photo professionnels ou de smartphones, sont légers et portables, et leur utilisation ne requiert aucune formation spécifique. Contrairement au scan 3D, il ne nécessite pas de choisir l’outil adapté (appareil photo) à la taille de l’objet à numériser. Un seul appareil photo peut être utilisé pour acquérir les données d’un petit ou d'un grand objet.
Naturellement, plus la qualité des photos est élevée, plus la qualité du modèle 3D final créé grâce à ces photos sera élevée. L’essentiel pour créer un modèle 3D complet est de prendre en photo l’intégralité de la surface de l’objet cible. Pour ce faire, préparez-vous à prendre des dizaines, voire des centaines ou des milliers de photos pour obtenir un meilleur résultat. Rien à voir avec les données 3D instantanées et automatiques acquises avec un scanner 3D. La photogrammétrie apporte donc une autre contrainte : dans la plupart des cas, cette méthode n’est pas pratique pour créer des modèles 3D de personnes, à moins que votre modèle puisse rester assis pendant des minutes, voire des heures.
Par ailleurs, la photogrammétrie est plus difficile à mettre en œuvre sur site, surtout si l’installation d’une cabine est prévue. Par exemple, s’il s’agit d’un lieu isolé au milieu d’un champ, il n’est pas aisé d’installer une grosse cabine sur place. Si vous souhaitez obtenir un modèle 3D d’une personne éloignée de vous, il est beaucoup plus simple de lui envoyer un scanner 3D plutôt que d’organiser des prises de vue compliquées.
En outre, il est important que l’objet soit éclairé de manière uniforme lorsque vous le photographiez. Si ce n’est pas le cas, vous devrez passer des jours à corriger/ajuster la luminosité de nombreux clichés après la prise de vue. Ce sera notamment le cas si vous prenez des photos d’un objet en plein air un jour ensoleillé : le côté exposé au soleil sera plus lumineux que celui qui est à l’ombre.
Dans l’idéal, vous devrez donc choisir une journée nuageuse pour votre séance photo. Si vous réalisez, pendant le processus de traitement, que certaines parties de la surface ne sont pas d’assez bonne qualité, vous devrez retourner à l’endroit où la séance photo originale a eu lieu et recréer les conditions de la première séance photo, notamment en matière de luminosité. C’est une chance si vous arrivez à ajouter de nouvelles photos à la base de données originale, car il est probable que vous deviez reprendre en photo tout l’objet ou toute la scène.
Pour remédier à certaines contraintes de la photogrammétrie, il est recommandé d’investir dans une source de lumière artificielle et dans des filtres polarisants, pour la source de lumière et l’appareil photo. La polarisation croisée permet de réduire l’obscurcissement d’un objet par des reflets pendant la séance photo, afin de créer des modèles en 3D plus détaillés avec la photogrammétrie. L’inconvénient de ce processus est le coût d’acquisition du matériel de polarisation. En outre, ce procédé n’est pas infaillible, car si vos polariseurs ne sont pas fabriqués dans le même matériau, les couleurs peuvent différer et les modèles peuvent être déformés.
Enfin, contrairement aux scans 3D qui offrent des dimensions linéaires précises, la photogrammétrie peut contribuer à une déformation de l’échelle et des proportions des objets. Cela est dû à la qualité des images utilisées, qui peut varier en fonction de la luminosité, de la résolution et du flou de mouvement. Le modèle final, issu du montage d’unités abstraites, ne peut être utilisé dans des applications nécessitant une grande précision, telles que la rétro-ingénierie ou le contrôle qualité.
Comment combiner le meilleur des deux mondes ?
Dans la plupart des cas, vous souhaitez sans doute que votre modèle 3D reproduise le plus précisément possible l’apparence et les couleurs du modèle original. Si c’est le cas, il est possible de combiner scan 3D et photos.
Cette même approche a été utilisée pour créer le premier portrait en 3D de Barack Obama, alors chef d'État. Pour ce projet, un scanner à lumière structurée (Artec Eva) a été utilisé en synergie avec la photogrammétrie. Comme vous le savez désormais, il n’est pas aisé d’utiliser la photogrammétrie pour créer un modèle 3D d’une personne, surtout s’il s’agit d’un président dont l’emploi du temps est toujours très chargé. 80 appareils photo ont donc été installés sur un échafaudage spécial autour du président afin de prendre des photos instantanées. Cela a permis de restituer fidèlement toutes les couleurs, ombres et teintes, et Artec Eva a été utilisé pour garantir une grande précision dans la forme de la tête du président.
Dans un autre cas, des ensembles de données combinées ont été utilisée pour modéliser en 3D une voiture entière. Pour ce projet, l’Artec Leo sans fil a capturé la géométrie de la voiture (sa carrosserie et son design intérieur). Pour les designers industriels et les ingénieurs, la précision dans la géométrie est suffisante. Cependant, dans des secteurs comme le développement de jeux vidéo, l’éclat des couleurs est plus important que la précision du profil aérodynamique de la voiture. Pour le développeur de jeu, cela peut donc être intéressant de superposer des photos en couleurs sur le modèle de maillage 3D. Ainsi, une fois intégrée dans le jeu vidéo, la voiture sera fidèle à la réalité et offrira une meilleure expérience utilisateur.
Du point de vue des logiciels, il est important de noter qu’Artec Studio permet de combiner plus facilement la numérisation 3D et la photogrammétrie. Outre des fonctions d’acquisition et de traitement de données, le programme inclut un algorithme d’enregistrement des photos, qui permet aux utilisateurs d’appliquer les textures de photos haute résolution aux modèles. Dans de nombreux cas, cela permet d’améliorer l’éclat des couleurs et de créer des scans plus réalistes.
La fonctionnalité scan/photogrammétrie 3D d’Artec Studio a notamment été utilisée pour numériser un fauteuil orné d’un motif travaillé, inspiré de la jungle. Les photos ont été associées aux données acquises par le scanner Artec Leo pour créer des fichiers de texture, qui ont permis de composer un maillage 3D à l’aide de l’algorithme de texturisation du programme. Outre ce fauteuil élégant aux couleurs vives, la fonctionnalité a été utilisée pour améliorer les données 3D parfaites acquises par Artec Space Spider grâce à des photos haute résolution de 140 d’une basket Nike.
Ce procédé a contribué à la création, en à peine 30 minutes, d’un scan incroyablement réaliste de la chaussure de basketball Nike Kyrie 7. Ce modèle de la célèbre chaussure reproduit la texture de la semelle façon traction 360° de Nike, qui a été scannée en plaçant la basket à l’envers pour éviter les plis. Dans un projet similaire, la marque de sport ASICS a utilisé la photo-texturation pour créer des modèles de chaussures ultra-réalistes destinés à l’inspection qualité et à un contenu marketing animé innovant. Toutes ces initiatives prouvent le haut niveau de détail obtenu lorsque l’on combine un scanner et un logiciel Artec.
Conclusion
La photogrammétrie reste l’option privilégiée par les développeurs de jeux vidéo qui apprécient sa capacité à créer des visuels surprenants. Cependant, le scan 3D a de plus en plus d’adeptes dans ce secteur, car il apparaît comme une manière plus rapide et polyvalente de créer des modèles numériques réalistes d’objets et de personnes. Les scanners 3D portables gagnent également du terrain dans certains domaines, comme la santé, en permettant de créer des orthèses sur mesure grâce à une prise de mesures rapide et précise des extrémités des patients.
Ainsi, si la précision est votre priorité absolue, vous pouvez acquérir les données d’objets rapidement en haute résolution. Et si vous prévoyez d’utiliser vos modèles 3D dans des applications de CAO, vous pouvez également opter pour un scanner 3D professionnel et un logiciel de scan 3D.
Si vous avez un budget illimité et que vous n’êtes pas pressé(e), la combinaison du scan 3D et de la photogrammétrie pour transformer des objets réels en modèles numériques 3D est idéale. De cette manière, votre modèle sera doté d’une géométrie précise et d’une texture réaliste et détaillée avec des couleurs vives.
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