ExRealis
ExRealis
Les scanners 3D du commerce offrent aujourd'hui une précision d'ordre métrologique permettant de capturer des empreintes numériques fidèles d'objets réels. La production de contenu numérique à l'aide de ces outils reste cependant encore fastidieuse du fait des nombreux traitements qu'elle nécessite, au-delà de la prise de données, avant d'aboutir à des modèles 3D exploitables.
En outre, depuis quelques années, l'équipe IGG s'applique à mettre en œuvre son savoir faire en numérisation au service du patrimoine culturel, domaine pour lequel la seule numérisation géométrique ne suffit pas. En effet, la capture de l'apparence est alors primordiale, car c'est uniquement par cette information qu'il devient possible de restituer de manière réaliste les copies numériques produites, en simulant de la manière la plus fidèle qui soit le comportement des matériaux qui les composent par rapport aux conditions d'éclairage et d'observation.
Ainsi, la plate-forme ExRealis offre un certain nombre d'outils, équipements et logiciels permettant de produire du contenu numérique de différentes natures à partir de données réelles, avec pour objectif de soutenir les travaux de recherche menés par l'équipe IGG autour de thématiques comme le rendu réaliste, la synthèse de texture, la réalité virtuelle ou encore l'animation 3D, mais également de permettre des prestations variées de numérisation auprès de partenaires.
Cette plate-forme propose notamment:
- un éventail d'équipements et d'outils logiciels couvrant l'ensemble de la chaîne de traitement en numérisation, depuis la prise de données jusqu'à la création de modèles 3D texturés;
- des méthodes avancées de reconstruction et de visualisation de textures pouvant tenir compte d'environnements lumineux ou de caractéristiques de matériaux complexes;
- d'un dispositif de capture de mouvements pour l'animation d'avatars en réalité virtuelle ou pour des applications en biomécanique.
Après plus de 10 ans de travail autour de la numérisation 3D + texture, l'équipe IGG a su acquérir une bonne expertise du domaine et un savoir faire quant à la mise en œuvre de ces outils pour des cas pratiques de campagnes de numérisation.
Des équipements
Scanner courte portée
Scanner moyenne portée
Matériel photographique
Scanner courte portée
Ce dispositif optique basé sur la lumière structurée permet la numérisation 3D d'objets d'une taille allant de 20 cm à 1 mètre. Sa portée est comprise entre 80 et 120cm et les images télémétriques produites ont une résolution de 1280x960, offrant une définition moyenne de 600 à 700 points par cm carré.
Le logiciel de pilotage et de mesure de forme a été entièrement développé au sein de l'équipe, ce qui nous offre une grande flexibilité ainsi que la possibilité d'une reconfiguration complète du dispositif pour ajuster, par exemple, la définition à des besoins spécifiques.
Scanner moyenne portée
Le scanner laser à temps de vol ScanStation2 de Leica Geosystems permet d'effectuer des acquisitions sur une portée de 0.2 à 300m avec une vitesse allant jusqu'à 50 000 points/sec. Un jeu de cibles fournies par le constructeur permet également de recaler les nuages de points provenant de différentes stations.
Voir également la fiche technique de Leica Geosystems pour de plus amples informations.
Matériel photographique
L'équipe dispose également d'un matériel photographique semi-professionnel consistant en une paire de boîtiers Canon EOS 5D MkII ainsi que deux jeux d'objectifs 24mm, 50mm et 135mm.
Ces appareils sont principalement dédiés à la capture de l'apparence (couleur, texture des objets), mais la duplication du matériel permet également la capture de paires d'images stéréoscopiques.
Système de capture de mouvements
Ce matériel autorise l'acquisition des mouvements d'objets ou d'humains dans l'espace. Il s'agit d'un système de capture optique composé de 12 caméras IR Vicon T40 et T40S, 4 Mpixels à 370 Hz, capables de capturer les trajectoires de marqueurs portés par les sujets dont les mouvements doivent être numérisés. Ces trajectoires peuvent ensuite être utilisées pour l'animation squelettale de personnages.
Ce matériel a été acquis en grande partie grâce au CPER IRMC.
Des outils logiciels
Un développement logiciel a été mené dans le but d'intégrer l'ensemble des traitements utiles à la création de modèles numériques réalistes à partir des objets physiques réels. Ce développement couvre:
- le traitement de la géométrie acquise pour reconstruire des maillages exploitables à partir de nuages de points;
- l'exploitation de photographies pour reconstituer l'apparence sous forme de lightfield;
- des structures de données et des mécanismes hors-mémoire permettant de gérer de très grandes masses de données.
Acquisition et traitement géométrique
Acquisition et traitement de l'apparence
Recalage, Débruitage, Intégration, Simplification.
Beaucoup d'interventions manuelles sont nécessaires pour aller des données brutes (nuages de points) vers un modèle géométrique complet de l'objet. Nous développons des outils permettant d'automatiser (ou de rendre plus accessible) ce travail.
Exemple de recalage, débruitage et simplification:
Texture, Apparence, Rendu.
Acquérir l'apparence d'un objet réel est un problème difficile. De nombreuses photos doivent être prises et recalées avec le modèle 3D. Nous proposons des outils permettant de faciliter ce travail et de rendre compatibles les représentations avec les capacités des cartes graphiques actuelles.
Exemples de rendus d'un modèle scanné
Exemple d'acquisition et recalage de la texture
Un savoir faire
Dans le cadre de différentes collaborations, l'équipe IGG a eu l'occasion de mettre en œuvre ses compétences en numérisation au travers de nombreuses prestations. Le champ d'application principalement visé est le patrimoine culturel, comme l'illustrent les exemples suivants.
Fondation de l'Œuvre Notre Dame
Dans le cadre du projet Eveil3D et en partenariat avec le CRIIT Holo3 et la Fondation de l'Œuvre Notre Dame, l'équipe IGG a effectué en octobre 2013 la numérisation de deux statues de la cathédrale de Strasbourg. L'objectif était de mettre ces statues en situation dans un sénario d'apprentissage en environnement immersif.
Hautes d'environ 50 cm, elles ont été numérisées à l'aide du scanner courte portée à lumière structurée. 35 millions de points et 55 photos ont été acquis pour l'ours, et 22 millions de points et 28 photos pour le taureau.
Maison Interuniversitaire des Siences de l'Homme
Fort de Bois l'Abbé
Ci-dessous, quelques rendus issus de la numérisation d'une partie du Fort de Bois l'Abbé (48°12'16.3"N 6°24'00.8"E), situé à Uxegney près d'Epinal. Le modèle final compte environ 63 millions de points, capturés à l'aide du scanner Leica Scanstation 2 depuis 20 positions différentes du scanner sur le site. Les couleurs attribuées aux points sont issues de la caméra interne du scanner, destinée à la manipulation et non à une capture fidèle de l'apparence du site.
Ci-dessous, un exemple de numérisation de tableau. L'image de gauche montre une photographie du tableau, l'image du milieu un rendu en synthèse d'images pour le même point de vue en utilisant un placage de texture de couleur classique et l'image de droite en utilisant une fonction bidirectionnelle de texture de laquelle le relief a été découplé de la réflectance bidirectionnelle.
Collaborations
Plusieurs projets nationaux et régionaux sont associés à cette plateforme:
- Projet Interreg EVEIL3D,
- ANR ATROCO,
- Ministère RIAM AMI3D,
- Région Pôle Image.