L’élaboration de la représentation 3D d’un artefact patrimonial passe par l’expression géométrique de sa forme puis par la détermination de l’aspect de surface de ses différentes parties. Trois phases d’élaboration interdépendantes sont nécessaires : l’acquisition des données 3D, la reconstruction géométrique tridimensionnelle, la restitution de l’apparence visuelle.

Ces dernières années, le domaine de la numérisation 3D des artefacts patrimoniaux (de l’échelle des objets d’art jusqu’aux monuments historiques) a intégré de nombreuses technologies pour permettre de reproduire la complexité morphologique des objets culturels et supporter de multiples exigences d’analyse, de visualisation et de diffusion.

Aujourd’hui, les outils et les techniques de numérisation 3D font référence à sept étapes principales allant de l’objet réel jusqu’au support multimédia utilisé pour sa présentation : l’acquisition des données 3D, qui consiste à utiliser des instruments pour le relevé des formes de l’objet ; la restitution des données 3D, qui consiste à représenter les données acquises selon différentes modalités graphiques ; la collecte et l’extraction d’informations qui peut être menée sur la restitution des données afin de conduire des observations propres à certaines analyses ; la reconstruction 3D qui permet de représenter géométriquement les formes acquises ; le rendu de l’apparence visuelle des surfaces des objets numérisés ; l’élaboration de systèmes de visualisation 3D s’intégrant à des supports de consultation et de diffusion.

L’acquisition des données 3D

Il s’agit du relevé de la morphologie, des dimensions et des aspects de surface de l’objet culturel. Cette phase de la numérisation peut utiliser des dispositifs d’acquisition directe (scanners laser 3D, station totale, etc.), qui restituent en temps réel les points acquis sous forme de coordonnées, ou des méthodes d’acquisition indirecte (photogrammétrie, photomodélisation), qui se basent sur l’exploitation du support photographique pour extraire les coordonnées spatiales à l’aide de différentes techniques de restitution.

L’acquisition des données 3D dépend non seulement de la complexité géométrique et de la variété des éléments examinés, mais aussi d’un ensemble de modalités d'extraction d'informations nécessaires pour l'élaboration de représentations multiples.

Balayage laser 3D

Les modules de balayage laser permettent une acquisition directe de milliers de coordonnées par seconde. Au-delà des coordonnées spatiales (x,y,z), certains dispositifs de balayage permettent aussi d’acquérir les valeurs d’intensité (valeur exprimant la réponse du matériau au faisceau laser dans une nuance de 255 niveaux de gris) et les valeurs colorimétriques (valeurs RVB extraites à partir d’une caméra calibrée embarquée dans le module de balayage.)

L’adaptabilité des scanners laser 3D à la numérisation des objets patrimoniaux est contrainte par les principes technologiques qui caractérisent leur fonctionnement. D’une manière générale, le procédé de balayage devrait être réalisé avec le dispositif le plus précis disponible pour la taille de l’objet à numériser et en fonction de la distance d’acquisition.

On distingue alors trois cas de figure :

1. •De 0.1 à 2m pour les  objets de petite taille et à décors fins ;
   

2. •De 2 à 10m pour les grands objets ou les éléments architecturaux ;
   

3. •De 10 à 400m pour les édifices et les sites historiques.
   

Pour les deux premières catégories, les scanners par triangulation optique et/ou lumière structurée correspondent actuellement au choix optimal : ces modules ont une marge d’erreur de 0.1 à 0.5 millimètres entre 0.1 et 2 mètres environ et de 0.5 à 2 millimètres entre 2 et 10 mètres environ. Pour de plus grandes distances, les scanners temps de vol et/ou décalage de phase sont les plus adaptés, avec une exactitude de quelques millimètres à quelques centimètres en fonction de la distance du point acquis comprise dans la portée autorisée (entre 2 et 400 mètres environ). Les modules de balayage laser 3D se basent sur différent principes de fonctionnement :

1. •Temps de vol d’une impulsion laser. Une impulsion laser est envoyée à l’objet et la distance entre l’émetteur et la surface qui la réfléchie est calculée par rapport au temps de voyage entre la transmission et la réception du signal. Ce principe est bien connu des tachéomètres électroniques. Les systèmes de balayage utilisent des dispositifs tournants pour le déplacement angulaire du rayon laser (au moins pour un des deux angles).
   

2. •Comparaison de phase. Cette méthode est également bien connue par les constructeurs d’instruments de tachéométrie. Dans ce cas, le faisceau transmis est modulé par une onde harmonique et la distance est calculée en utilisant la différence de phase entre l’onde transmise et reçue. En raison de l’analyse plus complexe du signal, ces modules peuvent être plus précis mais avec une portée plus réduite.
   

3. •Triangulation optique à une seule caméra. Ce module de balayage se compose d’une base avec un dispositif de transmission envoyant un faisceau laser avec un angle défini, et à l’autre extrémité, une caméra DTC qui détecte le point d’impact du laser (ou la ligne) sur la surface. La position dans l’espace du point d’impact est dérivée de la mesure du triangle résultant. L’exactitude de la mesure d’un point diminue en fonction de la distance entre l’objet et l’instrument. Ces instruments jouent un rôle important à courte distance et pour les petits objets où ils sont beaucoup plus précis que les modules de balayage à longue portée.
   

4. •Triangulation optique à deux caméras. C’est une variante du dispositif précédent qui utilise deux caméras DTC positionnées sur chaque extrémité de la base du module. Le point qui doit être détecté est produit par un projecteur séparé. Le principe géométrique est le même que celui des modules utilisant une seule caméra et les résultats ont les mêmes caractéristiques d’exactitude. La seule différence concerne un taux d’acquisition plus élevé.
   

Station totale (tachéomètre), GPS

Appareil servant à la mesure des angles verticaux et horizontaux pour déterminer des directions et à la mesure des distances. Il est muni d’un télémètre à visée infrarouge et d’un prisme réflecteur pour la mesure des distances.

GPS ?

Photogrammétrie

La restitution photogrammétrique permet d’extraire des images un ensemble de coordonnées exprimées dans l’espace-objet. Ces méthodes diffèrent en fonction de la configuration de l’acquisition : mono, stéréo ou multi images.

Mono-image

La restitution à partir d’images isolées de parties planes d’un objet s’appuie sur la mesure d’un certain nombre de points. Pour développer un redressement (ou une rectification), on considère, par approximation, que la surface est définie uniquement par des plans identifiés par un minimum de quatre points d’appui. L’homographie est l’équation projective qui établit la relation entre le plan de l’objet et le plan de l’image. L’image obtenue est une orthophotographie.

Stéréo

La restitution à partir d’un couple d’images utilise une configuration stéréo. Dans les solutions de restitution numérique, l’observation stéréoscopique consiste en un système d’asservissement en temps réel qui agit sur l’un des clichés et qui prend en compte les paramètres d’orientation internes et externes des perspectives. Ce dispositif commande les déplacements en translation du deuxième cliché en fonction de la position observée sur le premier de façon à ce que les deux points observés soient toujours homologues. Ce mécanisme permet à l’opérateur de réaliser des représentations bidimensionnelles de façades, ou des modèles filaires et surfaciques en trois dimensions. Les formes arbitraires peuvent être reconstruites par des techniques de corrélation d’images automatiques. Ces techniques s’appuient sur l’analyse d’image et permettent d’extraire de façon automatique ou semi-automatique un ensemble de points détectés sur les variations chromatiques des surfaces.

Multi-images

La restitution à partir d’un bloc multi-images peut utiliser des photographies convergentes, horizontales, verticales ou obliques. La restitution se base sur l’ajustement des blocs d’images par la méthode des faisceaux à partir d’un ensemble de correspondances (points, lignes) sélectionnées sur les photographies. Le principal avantage des méthodes basées sur ce principe est la possibilité d’exécuter un auto-étalonnage de la chambre directement à partir de photos de l’objet. En effet, après une première solution de calibration déterminée, l’ajout de nouvelles correspondances permet d’affiner le calcul des paramètres (externes et internes) par minimisation d’erreur. Cette approche n’est donc pas limitée à des chambres métriques ou étalonnées ce qui la rend beaucoup plus flexible. Les résultats de la photogrammétrie multi-images peuvent être des modèles filaires en 3D ou des photomodèles (représentations géométriques enrichies par les textures)

Documentation 2D existante

La reconstruction 3D peut s’appuyer sur de la documentation existante réalisée par différentes techniques de relevé et de représentation. Il s’agit des différentes catégories de sources iconographiques (photographies, dessins, peintures, gravures) qui peuvent témoigner de l’état d’un édifice ou d’un objet à un moment particulier de son histoire.

Restitution des données 3D

Comme nous l’avons vu, les différentes modalités d’acquisition basées sur l’image ou sur le balayage laser permettent l’enregistrement de régions d’objets avec différents niveaux de détail. Dans les deux cas (on pourrait aussi intégrer la mesure par tachéomètre, station totale, ou manuelle), on peut considérer le résultat de la phase d’acquisition comme un nuage de points. Pour comprendre les différences entre ces deux systèmes d’acquisition,, nous introduisons deux notions fondamentales pour comparer les nuages de points obtenus : systématicité et pertinence. Ces deux notions sont indispensables à la fois pour comprendre le dispositif d’acquisition à choisir en fonction de l’objectif recherché, mais surtout pour identifier une stratégie pour l’enregistrement exhaustif d’un ensemble architectural. La systématicité est la prérogative des dispositifs qui permettent une acquisition automatique et détaillée tandis que la pertinence est un facteur qui se manifeste dans les traitements manuels et qui dépend fortement de l’expérience de l’opérateur en phase d’acquisition ou de sélection des points. En effet, dans beaucoup d’applications, le lien entre les phases de mesure et de restitution est établi dès les premières opérations afin d’effectuer des mesures correctes et récupérer les informations nécessaires à la représentation.

Consolidation du nuage de points

Quel que soit le dispositif d’acquisition utilisé, une simple acquisition (à partir d’un seul point de vue) n’est jamais suffisante pour enregistrer un ensemble patrimonial. Différentes acquisitions sont alors nécessaires, surtout quand le but est d’enregistrer un bâtiment entier, ou un site, à plusieurs niveaux de détail. Il est donc nécessaire de transformer les nuages de points collectés séparément dans un système de coordonnées unique. Trois stratégies sont possibles  :

1. •La collecte des données peut être accompagnée par une saisie de points d’appui au moyen d’un autre système de relevé (par exemple une station totale avec des coordonnées et une orientation connues) ;
   

2. •Des cibles (naturelles ou artificielles) peuvent être utilisées pour transformer les données acquises localement en fonction d’un système de coordonnées commun ;
   

3. •Des procédures automatiques de superposition de surfaces obtenues par maillage automatique (uniquement pour les objets de petite taille comme les sculptures ou les décors) peuvent être utilisées.
   

Tracé des profils

Dessin des traits caractéristiques de l’objet effectué directement sur des points 3D (nuage de points ou réseau de points)

Restitution bidimensionnelle

Restitution sous forme de représentation graphique bidimensionelle par des opérations de dessin effectuées sur une projection 2D des données acquises (nuage de points ou photographies).

Extraction de profils

Extraction de profils caractéristiques de l’objet au travers d’un plan en intersection avec un nuage de points 3D.

Reconstruction 3D

C’est l’étape de modélisation qui consiste à construire la représentation géométrique de l’artefact en s’appuyant sur les nuages de points issus de la phase de numérisation 3D. Plusieurs techniques permettent une reconstruction automatique, semi-automatique ou manuelle des surfaces à partir des nuages de points. Ces techniques diffèrent en fonction des données d’entrée qu’elles peuvent traiter et du type de représentation géométrique qu’elles peuvent générer. En effet, habituellement, les nuages de points ne sont pas suffisants comme résultat final de documentation et de représentation. Ils pourraient être considérés comme des moyens d’archiver la géométrie d’un objet en prévision d’exploitations futures. Beaucoup de techniques (automatiques, semi-automatiques et manuelles) existent aujourd’hui pour extraire des nuages de points des représentations intelligibles :

•Les techniques de reconstruction à partir d’un nuage de points global : il s’agit de procédures d’interpolation ou d’instanciation automatique ou semi-automatique qui utilisent comme données d’entrée un nuage de points issu d’un balayage laser 3D ou d’une corrélation stéréophotogrammétrique ;

•Les techniques de reconstruction à partir d’un nuage de points pertinents : il s’agit de techniques d’approximation manuelles qui décrivent les surfaces au travers de la manipulation d’un certain nombre de primitives géométriques et de fonctions de modélisation.

Reconstruction automatique par maillage

Les procédures de reconstruction automatiques. Le maillage polygonal est habituellement la méthode la plus adaptée pour représenter correctement les résultats des mesures, fournissant une description cohérente avec les données d’entrée. Beaucoup de méthodes ont été développées pour créer une représentation (triangulaire) régulière et continue de maille à partir d’un nuage de points. Une fois la surface polygonale déterminée, diverses techniques de post-traitement peuvent être employées pour l’optimisation du résultat : lissage, remplissage de trous, etc. La conversion des données mesurées en une surface polygonale cohérente est généralement basée sur quatre étapes :

1. •Prétraitement : dans cette phase on élimine des données bruitées ou bien on échantillonne le nuage de points pour réduire le volume de données à traiter et donc le temps de calcul ;
   

2. •Détermination de la topologie globale de la surface de l'objet : les relations de voisinage entre les parties adjacentes de la surface doivent être dérivées. Cette opération a besoin typiquement d’informations additionnelles (normales) pour la prise en compte de contraintes de discontinuité, dans le but de préserver principalement la définition des bords ;
   

3. •Génération de la maille : une triangulation convertit l’ensemble des données d’entrée en modèle polygonal cohérent (maille). Cette opération divise les données d’entrée et produit des sommets, des arêtes et des faces (représentant la surface) qui se relient entre elles sur les bords partagés. Des méthodes de calcul par éléments finis sont employées pour discrétiser le domaine d’entrée en le divisant en ensembles de petits éléments, typiquement des triangles ou des quadrilatères en deux dimensions ou des tétrahèdres en trois dimensions.
   

4. •Post-traitement : une fois le modèle créé, des opérations d’édition sont généralement appliquées pour affiner et perfectionner la surface polygonale résultante.
   

Les procédures de reconstruction automatiques sont largement utilisées pour la reconstruction des objets d’art et des décors sculptés en fonction de l’exigence de reproduction de la richesse des détails qui caractérise ses artefacts.

Reconstruction interactive par primitives géométriques

Les fonctionnalités communes aux logiciels de CAO intègrent aujourd’hui des fonctionnalités de modélisation géométrique pour générer des surfaces s’appuyant sur un ensemble de points d’entrée issu de la numérisation 3D. Parmi ces fonctions on peut citer le balayage (translationnel, rotationnel, etc.) de profils extraits des nuages de points ou encore l’interpolation de profils.

Ces fonctions sont largement utilisées pour la reconstruction de scènes architecturales en fonction des forts besoins de description sémantique des formes (murs, portes, fenêtres, piliers, etc.. et de structuration du modèle 3D comme assemblage d’entités élémentaires.

Modélisation paramétrique

Si l’objet numérisé est composé d’un ensemble de primitives simples (tels que des plans, cylindres, cônes, sphères...) les primitives géométriques correspondantes peuvent être adaptées aux différentes parties du nuage de points. La reconstruction géométrique résultante sera par contre réduite à une représentation plus approximative. Les solutions commerciales disponibles pour le traitement du nuage de points diffèrent considérablement en ce qui concerne les outils qui exploitent cette technique.

Rendu de l’apparence visuelle

Dans cette phase on s’intéresse à l’enrichissement de la géométrie issue de la phase de reconstruction, par des attributs capables de décrire les aspects de surface. Il s’agit principalement d’associer au modèle 3D les informations photographiques acquises en phase de numérisation. Plusieurs techniques de synthèse d’images sont disponibles aujourd’hui pour simuler l’apparence visuelle des formes basées sur le calcul de l’interaction entre sources lumineuses, caractéristiques des matériaux et géométrie des objets. Par contre, même si ces techniques de synthèse permettent parfois de produire des images photo-réalistes, elles ne s’appuient sur aucune donnée d’entrée valable. Le but de la restitution de l’apparence visuelle dans un contexte de numérisation d’artefacts patrimoniaux consiste au contraire à restituer les véritables caractères qui décrivent l’aspect des surfaces en cohérence avec la géométrie de l’objet. Par conséquent, nous allons nous concentrer sur l’aspect réduit de l’extraction et de la restitution d’informations photographiques car ces informations peuvent jouer un véritable rôle dans la documentation de l’état de conservation d’un objet ainsi que dans sa visualisation.

Plaquage de textures à partir de photographies orientées
Extraire une texture à partir d’une photographie consiste à isoler les parties de l’image correspondant aux entités présentes dans la scène 3D ou à une région sélectionnée selon des modalités de projection.

Colorisation du nuage de points
Certains modules de balayage laser peuvent restituer un attribut représentant la force du signal retourné (luminance) pour chaque point 3D acquis. Si elle est normalisée, cette valeur peut être employée pour créer une image (en niveaux de gris) des tonalités de l’objet. En ce qui concerne les scanners qui embarque une caméra DTC afin de fournir une information colorimétrique, une réflexion s’impose. Dans le module basé sur le principe de la triangulation, cette information est en parfaite cohérence avec l’acquisition métrique. En effet, la matrice DTC de la caméra embarquée contient le même nombre de points que le dispositif peut acquérir métriquement. Ceci est possible grâce aux limitations de portée qui caractérisent ce type d’instrument (de 0,1 à 2m). Par contre, dans les dispositifs de balayage longue portée, la matrice d’acquisition des valeurs RVB (généralement une caméra embarquée à faible résolution ou l’utilisation d’une caméra supplémentaire) est nettement moins définie que celle du dispositif de balayage laser ou très souvent en cohérence projective imparfaite avec le scanner. Ceci conditionne fortement le résultat de la superposition de l’image sur le nuage de points. L’acquisition d’images à haute résolution avec un appareil photographique séparé constitue une alternative. Dans ce cas, la position et l’orientation de l’appareil photographique au moment de la prise de vue ainsi que ses paramètres intrinsèques devront être déterminé par un calcul de résection spatiale afin de permettre la projection des valeurs colorimétriques de la photographie sur le nuage de points.

A côté des techniques de restitution de l’apparence visuelle des surfaces basées sur l’enregistrement d’informations photographiques, il existent différentes techniques de génération synthétique des textures. Ces techniques sont à prendre en considération principalement dans le cadre d restitution d’objets (ou de parties d’objets) hypothétiques.

Systèmes de visualisation et présentation

Les numérisations 3D d’artefacts patrimoniaux peuvent être visualisées selon différentes modalités en fonction du type de données d’entrée, des contraintes de présentation, des exigences d’observation et d’analyse, ainsi que du niveau d’interaction envisagée.

Orthophotographie 2D

Image obtenue par traitement d’une photographie (ou d’une mosaïque de photographies) dont la géométrie a été redressée selon un plan (ou une surface) de l’objet.

Image panoramique

Vidéo d’animation 3D

Visualisation d’images dynamiques séquentielles intégrant du contenu tridimensionnel.

Stéréoscopie

Ensemble des techniques mises en œuvre pour reproduire une perception du relief à partir de deux images planes.

Le dispositif de visualisation le plus courant pour rendre une image stéréoscopique est les lunettes pour anaglyphes (filtres bicolores)

Hybridation réel/virtuel

Incrustation d’images virtuelles, issues de la maquette 3D, sur des images réelles issues de relevés photographiques (fixes) ou captées en temps réel par une caméra vidéo.

Dispositifs de visualisation : écrans fixes ou orientables, appareils mobiles, etc.

Visualisation 3D temps réel

Méthode de représentation 3D pour laquelle chaque image composant l’animation est rendue dans l’instant qui précède son affichage.

Des dispositifs d’interactivité paramétrée permettent à l’utilisateur de visiter un lieu ou de faire tourner un objet à sa guise.

Système d’informations / base de données

Ensemble organisé d'éléments (représentations 2D, 3D, attributs, descriptions, etc.) qui permet de regrouper, de classifier, de traiter et de diffuser de l'information sur un artefact.

Impression 3D

Technologie permettant de fabriquer rapidement un objet (généralement à une échelle inférieure à celle de l’original) à partir du fichier numérique de son modèle 3D. L’impression 3D (ou le prototypage rapide) est basée sur différents principes de fonctionnement : frittage de poudre, stéréolithographie, etc.

Reproduction physique

Réplique d’un objet obtenue par sculpture assistée. L’assistance provient de l’information issue d’une numérisation 3D préalable de l’original. Cette technique permet de reproduire des objets sculptés à l’échelle 1/1.

Supports de consultation et de diffusion

Borne interactive

Dispositif de visualisation muni d’un écran et d’un ou plusieurs systèmes de navigation interactive (track-ball, clavier, souris, joystick, pad, etc.)

Publication Web

Intégration des numérisation 3D au sein d’un site Web

Stockage

Tous types de matériels ou de dispositifs de stockage : CD / DVD-ROM, serveurs de sauvegarde, etc.

Publication

Quand le travail a fait l’objet d’une publication papier : monographie, article, etc.

Alioscopy

Ecrans 3D, dits auto-stéréoscopiques, qui permettent de voir instantanément une image en relief sans utilisation de lunettes spéciales.

Borne «Ray-On»

Installation de réalité augmentée imaginée par on-situ, basée sur l’intégration d’éléments virtuels dans l’environnement réel.

Analyse critique des techniques actuelles de numérisation 3D

Suite à la description des principales procédures pour acquérir des données spatiales, les convertir en représentations géométriques puis les enrichir avec des informations photographiques, certaines considérations peuvent être tirées par rapport à l’emploi de ces techniques pour une numérisation effective d’artefacts patrimoniaux.

Par rapport à la phase d’acquisition, le scanner laser 3D devient certainement un outil de référence pour l’acquisition exhaustive de la morphologie d’objets patrimoniaux à plusieurs échelles. Par ailleurs, la restitution photogrammétrique peut certainement être appliquée plus facilement (utilisation d’un simple appareil photo), dans des conditions assez variées et à toutes les échelles.

Si le laser 3D peut reproduire rapidement une grande quantité de données, la résolution de ces données peut être insuffisante, surtout si les arêtes et les surfaces linéaires doivent être acquises. Au contraire, la photogrammétrie numérique est plus précise dans la restitution des contours, spécialement si les discontinuités sont aisément identifiables dans la réalité.

Dans la phase de reconstruction 3D, les procédures automatiques permettent certainement une génération plus rapides des surfaces mais elles présentent aussi des limitations qui se répercutent sur l’intelligibilité finale de la représentation 3D. La reconstruction manuelle à partir d’un ensemble de points et de profils pertinents, malgré le temps nécessaire, constitue la solution la plus convenable quand l’objectif est de restituer un objet complexe tel qu’un édifice patrimonial. Dans ce cas, les outils de génération de surfaces à partir des profils extraits sont évidemment les plus appropriés à l’interprétation des données provenant d’une acquisition laser ou photogrammétrique mono, stéréo, ou multi-vue. L’introduction de l’image comme support pour conduire les opérations de reconstruction dans les nouveaux systèmes de photomodélisation constitue un apport très prometteur.

Enfin, sur les aspects concernant la restitution de l’apparence visuelle des surfaces, les techniques de rendu basé sur l’image, qui n’ont pas besoin d’un modèle géométrique sous-jacent, peuvent suffire à la simple exploration de la scène tridimensionnelle mais le manque d’informations métriques est incompatible avec les exigences de la documentation du patrimoine. En revanche, l’extraction et la restitution d’informations photographiques en cohérence avec la description détaillée de la morphologie de l’objet semble une voie très prometteuse pour l’enrichissement visuel des maquettes numériques.