Photomodélisation d’un percuteur, notice méthodologique.

Présentation

Le percuteur est un objet faisant 7,63 x 7,42 x 13,28 cm de forme prismatique à base triangulaire. Toutes les faces contiennent de l’information ce qui demande de pouvoir le saisir entièrement. Bien entendu, cela ne peut se faire en une seule passe, ce qui implique une stratégie de prise de vue bien particulière.

Enjeux

L’objectif de la modélisation est de pouvoir obtenir les informations suivantes :

• Un nuage de points de l’objet complet
• Un maillage dense
• Une texture détaillée couvrant l’ensemble des faces.

Les contraintes pour cela sont les suivantes :

• La lumière doit être parfaitement homogène et suffisamment diffuse pour qu’on ne puisse distinguer sur l’objet l’origine de la source principale.
• Plusieurs géométries seront obtenues, il faut pouvoir parfaitement les assembler et pour cela maitriser parfaitement la mise à l’échelle du relevé.
• Il faut se garantir des reflets sur la surface de l’objet.

Il existe globalement deux moyens d’obtenir un résultat propre : le premier consiste à exploiter le nuage de points en très haute résolution, l’autre consiste à tirer parti d’un maillage maillé, la texture étant calculée en très haute résolution. La première solution contraint à travailler avec des nuages de points assez lourds que l’on va assembler, puis mailler. La texture sera ensuite extraite du nuage de base et reprojeter sur la maille. La deuxième exploite une texture très haute définition qui sera posée sur un maillage retravaillé.

La première solution cherche à conserver le plus possible les détails géométriques de l’objet, ce parfois, au détriment des détails d’aspect dépendants de la résolution du nuage. La deuxième, plus technique, cherche à conserver les aspects de surface le plus fidèlement possible et peu se travailler avec un maillage moins dense.

Préparation du sujet.

Il existe plusieurs façon de créer une lumière diffuse : orienter des projecteurs vers des parapluies réflecteurs permettant de récupérer que la valeur diffuse des sources, éclairer à travers une surface diffusante comme un verre peint ou une toile ou bien alors, positionner le sujet dans une tente aux parois blanches et photographier à l’intérieur.

Lorsque l’on ne dispose pas de tout ce matériel, le plus simple est de se mettre soit dans une très grande pièce aux murs peints en blanc ou comme dans le cas traité ici, à l’extérieur alors que le temps est très couvert.

Pour assembler parfaitement les géométries obtenues, il faut pouvoir placer le percuteur dans un repère orthonormé qui servira d’échelle et de support à la photomodélisation. Pour réaliser l’opération avec succès, il faut éviter tout support répétitif : plus il y a de variations, meilleure est la reconstitution, ce qui peut être en contradiction avec l’idée d’une grille normée régulière.

Le choix s’est porté ici sur une trame servant à positionner les UVW en modélisation 3D ou, autrement dit, poser les textures sur un objet 3D. La trame permet de vérifier la régularité du maillage et donne des indices sur le développement du dessin habillant la géométrie.

La trame se présente ainsi :

Pour correspondre à la forme et à la contrainte de précision, elle a été légèrement retouchée pour obtenir un repère tel que suit :

Ce fond de trame peut ensuite être pavé sur une plaque rigide en fonction de l’objet à saisir. Il est à noter qu’une approche plus sophistiquée demanderait un nuancier normé afin de servir de base colorimétrique au modèle. En l’état, la base de la grille et la fiabilité de l’imprimante utilisée ne permette pas une telle approche. On peut éventuellement constater une dérive entre la grille et le rendu.

Le réglage de la prise de vue va ensuite déterminer la qualité et la lisibilité de l’objet et par effet retour, sa construction en 3D. Un compromis doit être trouvé entre la vitesse, l’ouverture et la profondeur de champ.

La prise de vue.

Le percuteur est positionné dans un premier temps sur l’une de ses pointes et sera retourné ensuite. Il est ici simplement posé sur une capsule de jus de fruit.

Une première série de photos est prise en cadrant sur la grille de repère et en tournant tous les 45 degrés environ, puis avec une élévation de 45° oblique une série plus rapprochée est réalisée tous les 20°. Enfin, une troisième série, placée perpendiculairement au sujet, est effectuée tous les 20°.

L’objet est retourné, pour la nouvelle série.

Nota, pour éviter de confondre les deux séries et généralement pour distinguer les séries de prises de vue, il peut être utilisé une ardoise ou une planchette qui sert de clap. On peut y noter, la date, le sujet, les conditions de prise de vue et le nom indicatif de la série. C’est un accessoire à prévoir.

Le jeu de photos peut ensuite est exporté

Traitement dans Photoscan.

Photoscan est un logiciel russe édité par la société Agisoft LLC basée à Saint Petersburg. Le logiciel date de 2010 dans sa première version et en est actuellement (fin2014) à sa version 1. Il existe près d’une cinquantaine d’autres solutions de photomodélisation que ce soit des applications propriétaires ou distribuées. Photoscan se place dans les solutions professionnelles abordables en termes de coûts et de facilité d’apprentissage.

L’interface présente 3 grandes zones de travail : « l’espace de travail » où l’on va retrouver les éléments calculés : les photos alignées, les nuages et les maillages calculés, la « fenêtre 3D » où l’on verra le modèle 3D et enfin la zone « Photos » où sont visibles les collections de photos.

Ajouter des photos

Dans un premier temps, il faut ajouter le jeu de photos, c’est le menu « traitement/Ajouter des photos ». L’on va ensuite puiser dans les photos préparées.

Les photos ajoutées, on voit que dans l’espace de travail s’est créé un « Chunk » ou morceau qui contient les informations du travail en cours. Il sera possible de créer plusieurs « chunk », de les combiner si besoin. L’indication « NA » précise que les photos ne sont pour le moment « Non Alignées ».

Les photos sont visibles dans le cadre « Photos » en bas.

Aligner les photos

Les photos doivent maintenant être alignées, cela signifie que le logiciel va retrouver la position de l’appareil, en fonction du sujet photographié, ce pour chaque vue.Pour cela il va utiliser les informations communes à chaque image comme les détails de surface, dénotant soit des reliefs ou encore des caractéristiques colorimétriques.

Le réglage par défaut convient bien.

Nota : si la surface de l’objet à modéliser est brillante, il y a fort risque que les éclats spéculaires soient mal interprétés. Au mieux, il y aura un trou dans le modèle, au pire si cet éclat spéculaire bouge (parce que la lumière change, parce que l’on crée un reflet avec son appareil ou que le modèle tourne un peu) il y aura une impossibilité de reconstruction.

Les propriété optiques de l’appareil sont également interprétées pour la reconstruction du modèle.

Nota : les propriétés optiques de l’appareil sont stockées dans les informations EXIF. Ces données sont importantes bien qu’il soit possible de réaliser des photomodélisations sans elles. Il convient donc de les conserver, surtout s’il y a volonté de retoucher l’image.

Un logiciel gratuit comme XnView (http://www.xnview.com) permet de visualiser les informations EXIF, si la photo est retravaillée avec ce logiciel, il est demandé si ces informations sont à conserver.

Une fois le calcul effectué, le logiciel produit un nuage épars dans lequel les positions de caméra, sont figurées par des rectangles bleus. Les positions de caméra sont précisément les points d’où on été prises les photos.

En zoomant un peu, on voit le nuage et la correspondance entre la photo d’origine et sa position dans l’espace 3D du nuage.

Selon la façon dont a été photographié le sujet, le nuage basse définition peut englober un espace beaucoup plus large que le sujet lui-même. Cela peut avoir une conséquence sur le temps de calcul et la qualité du modèle. En effet, on donnera au logiciel un « objectif » de points à constituer. La quantité de points déterminant la qualité du modèle. Il faudra essayer au mieux de concentrer l’information sur les sujets à traiter et éviter de la ventiler dans les nuages, les environnements lointains ou de la végétation alentour.

Par exemple dans la copie d’écran ci-après, des points éloignés du sujet sont visible :

Il conviendra de les effacer en sélectionnant les points voulus avec l’outil « Sélection » puis la touche « Effacer » ou « Suppr ». Il est souvent plus facile de sélectionner ce que l’on souhaite conserver, puis d’inverser la sélection, ainsi, le moindre point, très éloigné ou peu visible, sera traité.

Nous verrons par la suite qu’il est également possible de définir la boite de calcul.

Construire un nuage dense

On peut maintenant lancer le calcul du nuage dense. Pour cela, il faut activer la fonction « Traitements/Construire un nuage dense »

Une palette demande la qualité à atteindre :

Dans le cas qui nous intéresse, nous allons choisir « Haut », il existe une option « Très Haut » pour une encore meilleure qualité et « Moyen », « Bas », « Très bas » pour des qualités inférieures. De fait, il s’agit là d’un ratio entre la précision de l’information à recueillir, la pertinence de cette information en regard du sujet traité et bien entendu de la puissance de la machine. Des essais doivent être tentés pour calibrer tout cela.

Le filtrage des profondeur va permettre de polariser le calcul sur une zone bien précise, évitant de prendre en compte des éléments d’environnement. Nous verrons ensuite, qu’il est possible d’isoler complètement le sujet de son contexte pour obtenir la meilleure concentration de points possible. Dans le cas illustré ici, il est nécessaire d’avoir le percuteur et la grille d’échelle.

Le calcul terminé, nous obtenons ici près de 3 millions de points après environ 5 heures de calculs sur un portable équipé d’un i7 à 2,70GHz avec 16Go de RAM, une carte graphique Quadro 1000M avec 2Go de RAM et un disque dur SSD. Cette opération de création d’un nuage dense peut donc être très couteuse en temps.

La densité des points est telle que le modèle semble être fait d’une surface continue, mais si l’on zoome, l’on aperçoit les points se distinguer.

Construire un mesh

La prochaine opération consiste à mailler le nuage de points et créer ainsi une surface continue. Il faut lancer le menu « Traitements/Construire un mesh » :

Il faut choisir ici  le type de surface « Arbitraire », l’autre choix renvoyant plutôt aux MNT (Modèles Numériques de Terrains) ; il convient de prendre ensuite le « Nuage dense » afin de travailler sur la meilleure précision et définir le nombre de polygones en fonction de la résolution choisie. Il reste toujours facile de simplifier un modèle haute définition pour des usages ultérieurs de PDF 3D par exemple ou de temps réel.

L’opération est bien plus rapide que la précédente.

Construire la texture

La dernière étape consiste à construire la texture de l’objet. La texture redonnera de la définition en tirant des photos les moindres détails d’aspect. Toutefois, il faudra savoir distinguer ce qui relève de la géométrie de l’objet, de son aspect visuel donné par la texture, ce particulièrement dans les opérations de mesures fines.

Il faut choisir entre différents type de textures.

Pour le cas présent, il sera choisis ce type de configuration. Les autres modes vont avoir une influence sur la façon dont sera mené la suite du travail. Une orthophoto conviendra pour retoucher l’image, ajouter des informations. Pour plus de détails sur cette question, il faut se référer à la question des UVW maps qui n’est pas traitée dans ce chapitre.

Voici la différence entre la texture Générique et Sphérique. Il faudra remarquer le nombre du pixels affectés à la définition de l’objet :

 

Cette différence se retrouvera dans l’appréciation de la qualité du modèle.

Le calcul fini, on obtient ce type de rendu :

Positionner et mettre à l’échelle.

L’opération suivant, pouvant être réalisée toutefois plus tôt, consiste à positionner l’objet dans l’espace, lui redonner son plan horizontal et vertical et surtout lui redonner son échelle réelle. La grille va ici être très utile en parvenant à donner ces deux informations simultanément.

Dans un premier temps il faut positionner des repères. Sur la grille, à une intersection connue, faire bouton droit, « Créer un repère ». On positionne ainsi un premier point qui sera l’origine.

Sur la même horizontale en X, mais 10cm plus loin, un 2^ème repère est créé et un 3^ème en Y. On pourrait imaginer de créer une grille verticale pour pour le repérage des Z.

On va pouvoir à partir de ces points indiquer qu’ils forment un triangle décrivant le plan horizontal. Pour cela il faut dans l’onglet :

Il faut ensuite définir que le premier point est l’origine, lui donner comme coordonnées, (0,0,0). Le deuxième point sera à 10cm sur l’axe des X et l’autre à 10cm sur l’axe des Y, donc de coordonnées (1,0,0) et (0,1,0).

Ensuite, il faut mettre le modèle à l’échelle. Il faut pour cela sélectionner 2 points, cliquer bouton droit et « créer une barre d’échelle ».

Deux points sont sélectionnés, ils sont surlignés en bleu.

Apparait un segment joignant les 2 points repère.

Dans l’onglet « Ground Control » on va mettre à la bonne échelle la barre en lui donnant la bonne longueur. Dans notre cas, 10cm soit 0.1

Il faut répéter l’opération avec deux autres points sur l’axe Y, mais ce n’est pas forcément nécessaire. Il faut ensuite rafraichir la base et le modèle en cliquant sur l’icone « Update ». Sans cela les modifications ne sont prises en compte.

Il faut ensuite renouveler l’opération pour avoir les deux pointes du percuteur.

Assembler les morceaux

Il faut maintenant pouvoir assembler les morceaux obtenus. Il existe plusieurs méthodes selon que l’on va se servir des caméras, des points ou des repères. Pour peu que la mise en place de repères ait été facile soit par ajout de marqueurs soit par identification, comme c’est le cas ici, de singularités de surface, le calcul par la méthode des repères peut être extrêmement rapide et économique. La précision de l’assemblage viendra bien entendu de la précision de la position des repères dans chacune des géométries. L’assemblage à partir des points est plus long, mais se révèle plus précis.

Dans un premier temps, il s’agit de placer des repères sur le modèle, quelle que soit la formule choisie, cela permet de mieux caler le modèle. Pour se faire et éviter des confusions futures, les anciens repères d’échelle peuvent être effacés. Sera également enlevé la grille de repère.

Sur le deuxième morceau, on procède de même, il faut effacer la grille de repère puis placer des points, strictement aux mêmes emplacements. Pour cet exemple, les singularités de la surface du percuteur sont mises à profit pour cette opération.

Il faut ensuite aligner les deux morceaux. On va pour cela dans le menu Traitements/Aligner les morceaux, dans un premier temps, l’on va choisir selon les repères :

Une fois le calcul effectué, on voit que les repères sont superposés et de fait, le modèle reconstitué. Il faut dès lors les fusionner. Pour cela, il faut lancer le menu Traitements/Rassembler les morceaux et choisir d’assembler soit les nuages de points, soit les maillages (ici appelés modèles), soit les repères :

L’autre option plus précise et moins rapide, est d’assembler à partir du nuage dense. L’opération est identique à un réglage près. Si les étapes précédentes sont bien réalisées, il n’est pas nécessaire de « fixer l’échelle », option à tester en fonction des configurations.

Une fois fait, la géométrie ainsi constituée est disponible dans nouveau morceau.

Le nouveau bloc est défini par 101 caméras, soit, la somme des caméras des deux morceaux et fait 50000 faces. La géométrie obtenue est régulière et détaillée.

Il va être ensuite possible de reprojeter la texture sur le modèle afin d’éliminer les effets de « collage » que l’on perçoit dans la couleur du modèle. Cet effet est dû aux légères différences de nuances résultantes du changement de position de l’objet dans le premier dispositif de prise de vue.

En observant la position des caméras, on voit que le dôme initial est transformé en double dôme ou en sphère, couvrant parfaitement la totalité de l’objet.

Simplifier le maillage

Pour des besoins de temps réel par exemple, pour exporter le modèle sur le net pour une consultation en ligne, le maillage doit être simplifié. Cette opération peut se révéler complexe parfois car la décimation peut se faire au dépend de la texture ; la conservation des coordonnées de textures (les coordonnées UVW) n’est pas toujours garantie. Photoscan permet de réaliser cette opération sans soucis.

Nota : Il convient, pour plus de sécurité, de dupliquer le morceau à traiter afin de préserver la résolution de qualité optimum.

Il faut aller dans le menu Outils/Maillage/Décimer le maillage et choisir ensuite le nombre de polygones à maintenir.

Une fois cela fait, le modèle aura perdu sa texture qu’il s’agira de recalculer.

Le modèle a 10 000 face (simplification de 10%, c’est-à-dire que l’on est passé de 100000 à 10000 faces), maintient, grâce à la parfaite résolution de la texture, un aspect parfaitement défini. Il pourra être utilisé pour le temps réel.

Le modèle parfaitement assemblé et texturé, n’a plus qu’à être exporté.

Export

Les différents morceaux sont exportés au format OBJ (Fonction/Exporter le modèle) pour être ensuite post-traités dans un autre logiciel.

A l’export, on peut choisir entre différents formats graphiques qui dépendent de la suite de l’exploitation du modèle. Le format JPG est compressé et destructif, mais est le format le plus courant et sera celui privilégié s’il n’y a pas trop de ré intervention sur la texture. Le format PNG est compressé et non destructif, il peut aussi contenir une couche Alpha, c’est-à-dire des informations de transparence. Le format TIFF peut être privilégié pour des utilisations liées à l’édition, mais est plus lourd car non compressé (pas toujours disons pour être précis) ; il peut contenir aussi une couche Alpha. Le format EXR, enfin, créé par ILM, code une texture en haute qualité, avec un codage des canaux RVBA en 8, 16 ou 32 bits en nombre flottant ou non, ce qui en fait un format recommandé pour obtenir une texture de très haute qualité.

Le compromis se fait donc entre les besoins ultérieurs, la qualité et la compatibilité des formats.

Post-traitements du modèle.

Le modèle 3D au format OBJ se compose de trois fichiers portant pratiquement le même nom :

Il y a le fichier avec l’extension .OBJ qui contient la géométrie, il y a le ou les fichiers d’extension .JPG ou .PNG qui contiennent les textures et parfois les informations de relief et le fichier .MTL qui décrit comment la texture se positionne sur la géométrie 3D.

Pour une consultation en ligne du modèle, on peut utiliser le service en ligne Sketchfab (www.sketchfab.com). Il faut pour cela faire un fichier .ZIP (archive compressée) contenant l’ensemble des fichiers (.OBJ, .MTL et .JPG) du modèle. Ce .ZIP sera ensuite envoyé au site Sketchfab.

Après avoir fait son inscription, l’interface propose de faire un « Upload » d’un modèle :

Il faut ensuite choisir son fichier, on prendra le format .ZIP préparé préalablement

 

Dans le cas contraire, le modèle n’aurait pas de texture, même s’il sera toujours possible de réparer cela ensuite. Pendant le chargement, on remplit le questionnaire :

Ol va être possible de raffiner les réglages : en cliquant sur Settings/3D settings :

Il sera possible de définir une orientation privilégiée en travaillant sur l’orientation du modèle en X, Y ou Z puis en rotation (0°, 90°, 180°, etc…)

On peut ajouter un arrière plan, jouer sur la texture et faire pas mal de réglages qui ne seront pas détaillés ici. Il est possible également d’ajouter des annotations qui attireront l’attention sur certains détails du modèle. Il faut ensuite « photographier la vue » – « Take ScreenShot » qui sera l’image visible en mode statique.

Le modèle est près à être publié sur un site : « Embed », il faut dès lors copier le code HTML et le coller sur sa page web, ou le publier sur les réseaux sociaux via le bouton « Share ».

Sur FaceBook :

Sur le Web

Modèle final sur SketchFab

 

Percuteur
by Laurent Lescop
on Sketchfab

Contexte d’utilisation du percuteur : rocher à cupules sur l’Ile d’Yeu.

Percuteur by Laurent Lescop on Sketchfab

Yeu
by Laurent Lescop
on Sketchfab

Percuteur is