Comment fonctionne la technologie de scan 3D ?

Par Natalia Kivolya
5 Février 2020
Format long
3798
RÉSUMÉ 
Entrer dans le monde du scan 3D peut être intimidant, mais tout devient limpide une fois que vous prenez quelques instants pour comprendre la technologie qui se cache derrière. De vos propres yeux (le scanner originel !) au dernier scanner 3D sorti sur le marché, voici comment tout cela fonctionne !
TYPES DE SCANNERS
4+
PLAGE DE PRÉCISION
0,1 – 5 mm
PLAGE DE RÉSOLUTION
1 – 1 000 cm

Les dimensions de notre monde, pour la vision, le scan, et plus

Avant de plonger dans l’univers fascinant du scan 3D, avec ses légions de scanners laser, scanners à lumière structurée, logiciels de conception, modèles 3D, etc., prenons une minute pour mieux comprendre quelles sont ces trois dimensions qui nous entourent (et nous décrivent !) où que nous allions.

Tout un chacun sait que nous vivons dans un monde en 3D, même les personnes qui n’ont aucune idée de ce qu’est un scanner 3D. Mais que signifie en réalité un « monde en 3D » ? Cela signifie que l’espace autour de nous a trois dimensions, et que la position de toute chose peut être décrite en utilisant trois nombres, également appelés paramètres ou coordonnées. Différentes façons de définir ces paramètres existent, et les règles pour le faire sont ce que l’on appelle un système de coordonnées.

fig.1a

Le système de coordonnées le plus populaire est le système de coordonnées cartésiennes.

Quand nous parlons de la largeur, de la hauteur et de la profondeur des choses autour de nous, nous utilisons les termes du système de coordonnées cartésiennes, qui peut être soit le système de la main droite (SMD), soit le système de la main gauche (SMG). La seule différence entre les deux est la direction de l’axe z, celui qui correspond à la profondeur de l’objet.

fig.1b

fig.1c

D'autres systèmes de coordonnées existent, tels que le système de coordonnées sphériques (à gauche) et le système de coordonnées cylindriques (à droite).

D'autres systèmes de coordonnées existent, dont le système de coordonnées sphériques et le système de coordonnées cylindriques. Le point commun de tous les systèmes de coordonnées 3D est le fait qu’ils ont trois paramètres indépendants décrivant clairement la position de n’importe quel point dans l’espace, qu’il s’agisse d’une surface ou d’autre chose. Cela semble relativement simple, mais en matière de scanners et de scan 3D, ce sont les principes élémentaires et fondamentaux comme celui-ci qui vous aideront réellement à mieux comprendre cette technologie révolutionnaire et à réussir à travailler avec elle.

Toute discussion sur les dimensions, en ce qu’elles appartiennent à l’univers du scan et des scanners 3D, devient encore plus importante quand nous prenons en compte la précision et la résolution des solutions de scan 3D et des logiciels professionnels actuels. Atteignant des niveaux situés bien au-delà de ce qui est visible par l’œil humain, les performances des derniers scanners 3D dépendent entièrement des systèmes de coordonnées reposant sur du matériel et des logiciels fiables et répétables.

Une très brève introduction sur les objets et leur scan 3D

Outre leurs positions dans l’espace, tous les objets physiques ont des dimensions. Les objets peuvent être en 0D, 1D, 2D, ou 3D.

Objets 0D & 1D

Objets 2D

Objets 3D​

Pensons à quelque chose d’extrêmement petit, tel un atome, qui, nous pouvons l’affirmer, n’occupe presque pas d’espace et peut dont être qualifié de point. Quand un objet point a une position dans l’espace qui peut être décrite par ses coordonnées x, y, et z mais n’a pas de dimensions, il est qualifié d’objet 0D. Si vous pouvez certainement trouver des scanners pour des objets 1D, 2D, et 3D, on ne peut pas en dire autant pour les objets 0D.

Une chaîne très fine est un exemple d’objet 1D. Chaque maillon, excepté le premier et le dernier, n’a que deux « voisins », ou maillons adjacents.

Une fine feuille de papier (c) est un objet 2D, étant donné que sa troisième dimension (épaisseur) est insignifiante comparée à sa largeur et à sa hauteur.

Un exemple simple d’un objet 3D est une boîte, qui a une largeur, une hauteur, et une profondeur, et occupe un certain espace dans les 3 dimensions.

En ce qui concerne les scanners 3D professionnels disponibles sur le marché aujourd’hui, les fabricants indiquent clairement la (les) taille(s) optimale(s) de l’objet (à scanner) sur les pages montrant leurs produits, ainsi que dans la documentation de leurs produits. Les scanners 3D varient en taille, allant des scanners de bureau automatisés, pour les minuscules et petits objets, aux scanners portables à lumière structurée pour les objets de petite et moyenne taille, et aux scanners plus grands, tels que les scanners 3D laser, pour les objets grands, voire massifs. La taille des modèles 3D créés avec ces scanners peut être modifiée, notamment via un logiciel de CAO professionnel.

Comment vous et moi percevons (et scannons mentalement) le monde en 3D

La plupart des informations sur les objets distants nous parviennent grâce à la lumière. La lumière est simplement un rayonnement électromagnétique qui traverse l’espace le plus rapidement possible. Principalement émise par le soleil, la lumière rebondit sur les surfaces, qui l’absorbent ou la réfléchissent, et poursuit son voyage à moins d’être absorbée. Beaucoup de choses peuvent lui arriver. Elle peut être réfléchie, réfractée, diffusée ou absorbée, et après avoir frappé des objets sur son parcours, elle peut même changer de propriétés, à savoir sa couleur, son intensité, sa direction, etc.

L'œil humain est un organe sensoriel qui peut détecter la direction, l’intensité, et la couleur de la lumière visible. L’œil comporte une lentille cristalline qui concentre la lumière qui la traverse sur la rétine. La rétine contient des cellules spéciales sensibles à la lumière, qui se composent d’environ 120 millions de bâtonnets et de 6 à 7 millions de cônes. Grâce à ces bâtonnets, nous percevons le noir et le blanc, tandis que les cônes nous permettent de voir les couleurs. Afin de distinguer ces couleurs, nos yeux captent les rayons de lumière dans notre environnement et les dirigent vers nos rétines.

Nos yeux ne peuvent pas voir les objets nettement à toutes les distances en même temps. Ainsi, lorsque nous regardons quelque chose situé près de nous, les objets plus éloignés paraissent flous, et inversement. Un processus spécial de focalisation, appelé l’« accommodation », nous permet de voir nettement à des distances allant de 6 à 7 centimètres jusqu’à l’infini. La plupart du temps, l’accommodation fonctionne comme un réflexe, mais elle peut également être contrôlée consciemment. Un de ses aspects est lorsque les muscles correspondants apportent les ajustements nécessaires à la lentille de l’œil, comme le montre la fig. 2, pour le focaliser à différentes distances.

En plus d’aider l’œil à se focaliser, l’accommodation nous permet aussi de distinguer les objets proches des objets éloignés, bien qu’un seul œil humain ne perçoive pas bien la profondeur. Pour cette raison, avoir un second œil est crucial (voir fig. 3).

La vision 3D humaine repose sur ce qu’on appelle l’effet stéréoscopique. Il s’agit de la perception d’un objet depuis deux positions différentes, dans laquelle l’image vue par chacun de nos yeux est similaire mais légèrement décalée. L’importance de ce décalage dépend de la profondeur (la distance) entre vous et l’objet. L’image tend à se décaler davantage lorsque les objets sont situés plus près de vous. Ce phénomène est appelé disparité rétinienne (binoculaire), ou parallaxe binoculaire.

fig.2

Focalisation : a. sur quelque chose d’éloigné…

b. sur quelque chose de proche

Un des aspects de l’accommodation est lorsque les muscles correspondants apportent les ajustements nécessaires à la lentille de l’œil, comme le montre la fig. 2, pour le focaliser à différentes distances.

fig.3a

fig.3b

En plus d’aider l’œil à se focaliser, l’accommodation nous permet aussi de distinguer les objets proches des objets éloignés, bien qu’un seul œil humain ne perçoive pas bien la profondeur. Pour cette raison, avoir un second œil est crucial.​

La vision 3D humaine repose sur ce qu’on appelle l’effet stéréoscopique. Il s’agit de la perception d’un objet depuis deux positions différentes, dans laquelle l’image vue par chacun de nos yeux est similaire mais légèrement décalée. L’importance de ce décalage dépend de la profondeur (la distance) entre vous et l’objet. L’image tend à se décaler davantage lorsque les objets sont situés plus près de vous. Ce phénomène est appelé disparité rétinienne (binoculaire), ou parallaxe binoculaire.

Malheureusement, la résolution de l’œil varie en fonction de ce qu’il regarde. La densité de cônes la plus élevée se situe au centre. Ainsi, si nous voulons avoir une bonne résolution et percevoir la profondeur, les deux yeux doivent être directement focalisés sur l’objet. Pour regarder des objets plus proches (voir fig. 3 (b)), la convergence nous fait utiliser les muscles oculomoteurs, et l’angle de vue est considérablement plus petit lorsque l’on se focalise sur des objets éloignés.

Après la projection des deux images (une de chaque œil) sur les rétines, celles-ci traversent les nerfs optiques vers divers systèmes visuels du cerveau. Différentes parties du cerveau analysent l’image simultanément. Certaines détectent la géométrie de surface simple, tandis que d’autres enregistrent le mouvement, et d’autres encore comparent l’image à des images précédemment apprises, etc.

Enfin, en 50 millisecondes environ, toutes ces informations atteignent notre conscience et nous distinguons la couleur, la profondeur, le mouvement, et la (les) forme(s) de ce que nous regardons. Les scanners Artec 3D fonctionnent presque de la même façon, mais, qu’il s’agisse des scanners laser ou des scanners à lumière structurée, sont bien plus précis que le système visuel humain ne le sera jamais pour mesurer la profondeur.

L'œil humain, la perception 3D, et les scanners 3D

La lumière se comportant différemment en fonction des circonstances, la perception visuelle 3D ne fonctionne pas toujours bien.

Bien qu’en réalité, chaque objet physique dont la taille dépasse un nanomètre soit en 3D, il est relativement difficile pour l’œil humain ou un scanner moderne de voir tous les côtés d’un objet en même temps étant donné que, bien souvent, la vue peut être bloquée par d’autres objets. Cela inclut, notamment, les objets non transparents complexes, dont les surfaces arrière peuvent être visuellement bloquées par leurs surfaces avant.

Il est crucial d’observer (et de scanner) un objet depuis des points de vue multiples afin de voir la forme 3D entière, en particulier quand la forme est inconnue. Il peut également être difficile de percevoir en 3D les objets de grande taille aux couleurs uniformes et aux géométries simples, y compris ceux dont les surfaces sont plates ou très lisses.

ÉLÉMENT CLÉ

Un bon exemple est lorsque vous essayez de garer une voiture sur une place de stationnement entièrement peinte dans une couleur claire. Si l’arrière-plan est de la même couleur, sans caractéristiques visibles créant un contraste avec les lignes de la place de parking, vos yeux (et votre cerveau) auront beaucoup de difficultés à percevoir la profondeur de l’espace.

Cela se produit parce que notre vision a besoin d’images contrastantes pour que les yeux puissent se focaliser, et les surfaces uniformément colorées sans irrégularités sont vues comme dépourvues de tout contraste. Il en va de même pour les surfaces noires.

Un grand nombre de scanners 3D professionnels ont des difficultés à scanner des couleurs et des surfaces noires ou sombres en raison des problèmes de différenciation décrits ci-dessus. Cela représente un défi de taille pour de nombreux techniciens et spécialistes du scan 3D, souvent contraints d’élaborer plusieurs stratégies de scan, voire d’utiliser des scanners tout à fait différents. Cela dit, si les surfaces plus sombres seront au moins occasionnellement scannées en 3D, il vaut la peine de tester les performances d’un scanner 3D avec ce genre d’objets avant son achat, quand l’occasion le permet. Le choix du meilleur scanner pour une tâche est bien plus qu’une question de précision et de résolution.

Modèles 3D via le scan, la CAO, et plus

La génération actuelle de solutions professionnelles de scan 3D, y compris les scanners à lumière structurée, les scanners laser, et les logiciels, est étroitement connectée aux technologies informatiques. Cela a permis le développement de nouvelles machines-outils à commande numérique, ou CNC (Computer Numerical Control en anglais). Grâce aux technologies CNC, nous avons fait un grand pas en avant dans la production d’objets de nombreuses formes (parfois appelés surfaces de forme libre).

L'idée principale du CNC est qu’un ordinateur contrôle les machines-outils à la place d’un humain. Les ordinateurs sont capables de le faire avec les niveaux d’exactitude les plus élevés, très précisément, et de façon extrêmement efficace. Cela dit, les ordinateurs ont besoin de commandes spéciales leur disant exactement quelles opérations exécuter. Ces commandes sont générées par des logiciels de fabrication assistée par ordinateur (FAO) et de conception assistée par ordinateur (CAO). Examinons brièvement comment les ordinateurs se chargent des objets 3D.

Qu’est-ce qu’un sommet, et quel est son rôle dans le scan 3D ?

Dans le monde de l’infographie et des scanners 3D, un sommet est une structure de données décrivant les divers attributs d’un point. L’attribut principal de n’importe quel point est sa position, mais d’autres attributs peuvent inclure la couleur, la réflectance, les coordonnées, les vecteurs normaux et tangents, etc.

En général, un sommet est un point où les lignes, les courbes, ou les arêtes se rejoignent. Cette géométrie de base est ainsi souvent utilisée pour décrire d’autres géométries plus complexes, telles qu’une arête, une face, un maillage, ou une surface. Pour cette raison, certains attributs de sommet décrivent une surface entière autour ou près d’un point plutôt qu’un simple point.

Un nuage de points est un ensemble de sommets normalement produit par des scanners 3D, en particulier des scanners 3D laser.

Qu’est-ce qu’une arête ? Description en 16 mots

Une arête est toute ligne droite connectant deux points (sommets). Peut faire partie d’une face.

Quelques phrases sur les faces, les polygones, et d’autres choses

Une face est une séquence fermée d’arêtes. Chaque sommet d’une face a deux arêtes connectées. La face d’un triangle a trois arêtes, tandis que la face d’un quadrilatère a quatre arêtes.

 

triangle / trigone

quadrilatère / tétragone

pentagone / pentagramme / pentacle

hexagone

heptagone

octogone

Les faces comportant 3 arêtes ou plus sont appelées « polygones », le mot étant formé d’un préfixe grec correspondant au nombre d’arêtes suivi de « gone ».

Un pentagone (également appelé pentagramme ou pentacle) a 5 arêtes, un hexagone 6, un heptagone 7, et un octogone 8.

Tout polygone ayant plus de 4 arêtes peut être remplacé par le nombre correspond de triangles ou de quadrilatères constituant sa forme.

Les maillages dans le monde du scan 3D

Dans la technologie 3D (y compris les modèles créés avec des scanners 3D), un maillage est la façon dont les surfaces sont représentées dans un logiciel via l’infographie. En d’autres termes, un maillage est une collection de sommets et de faces, accompagnée d’informations sur la manière dont les sommets forment les faces et dont ils sont connectés entre eux.

En général, les faces peuvent se composer de n’importe quel type de polygones mais, dans la majorité des cas, des triangles sont utilisés étant donné qu’ils sont plus faciles à implémenter dans les processeurs graphiques (GPU). Différentes sortes de maillages nécessitent des types de polygones particuliers, et les règles dépendent de leur application :

Face-sommet — sommets et un ensemble de polygones qui pointent vers les sommets qu’il utilise.

Arête ailée — chaque arête a deux sommets, deux faces, et quatre arêtes les touchant.

Quad-edge — arêtes, demi-arêtes, et sommets sans référence à des polygones.

Corner-tables — stockent les sommets dans un tableau prédéfini pour définir les polygones.

Il s’agit en essence d’un triangle fan utilisé dans le rendu hardware. La représentation est plus compacte, et la récupération des polygones plus efficace, mais toutes les opérations visant à modifier les polygones sont lentes. En outre, les corner-tables ne représentent pas complètement les maillages. Des corner-tables (triangle fans) multiples sont nécessaires pour représenter la plupart des maillages.

Sommet-maillages de sommet : utilisent uniquement les sommets pointant vers d’autres sommets. Il s’agit d’un format efficace du point de vue de la taille, bien que le nombre d’opérations efficaces du point de vue du maillage pouvant être réalisées soit limité.

Les maillages simples peuvent être créés manuellement, tandis que les maillages plus complexes peuvent être modélisés avec des équations mathématiques, des algorithmes, ou en numérisant des objets réels à l’aide de scanners 3D. Une des caractéristiques les plus importantes d’un maillage est sa simplicité. Il existe une multitude de moyens de capturer et de représenter numériquement les mêmes surfaces.

sommets

faces

maillage​

Maillage triangulaire (maillage polygonal formé de triangles) : (a) – sommets (b) – faces (c) – maillage

Quelques mots sur les voxels et le scan 3D

Le volume entier dans un système de coordonnées cartésiennes peut être divisé en petits parallélépipèdes rectangles (figures 3D formées de six parallélogrammes), appelés voxels. Si les dimensions le long des axes x, y, et z sont identiques, ils deviennent des cubes. Après cette simplification, tout objet solide peut être créé avec un certain nombre de voxels. Plus le voxel est petit, plus l’approximation est exacte.

pixel

voxel

Les coordonnées du voxel sont définies par leurs positions dans la structure de données. Le caractère standard des données et la forme basique des voxels rendent le traitement à la fois simple et fiable, mais cela nécessite souvent un espace disque supplémentaire pour le stockage et davantage de mémoire pour le traitement. De façon similaire aux images numériques 2D, les surfaces non rectangulaires représentant des faces de voxels contiennent des données discrètes.

Pour qu’un modèle non rectangulaire soit précis, il doit contenir de très petits voxels. Étant donné que cela nécessite un espace disque considérable, les voxels sont rarement utilisés pour représenter ce genre d’objets. Les voxels sont plus efficaces pour représenter des objets complexes et plus variés, ce qui rend leur utilisation idéale dans le scan 3D, l’imagerie, et les solutions CAO.

Quid des solides et de la géométrie 3D du scan et d’ailleurs ?

Tout type d’objet réel occupe un certain volume dans l’espace et est constitué d’un certain matériau. Il existe différentes façons de modéliser un objet solide : le balayage, la modélisation de maillage de surface, la décomposition cellulaire, etc. Chaque objet a ses propres frontières (surfaces), et les frontières d’objets solides séparent l’espace en deux parties : l’intérieur et l’extérieur du solide. De cette façon, un objet solide peut être représenté par des frontières et certaines données, telles qu’un maillage, et peut être utilisé pour séparer l’intérieur de l’extérieur.

Résultat de géométrie de construction de solides CSG

Une autre approche est utilisée en géométrie de construction de solides, ou CSG, où les éléments de base sont déjà des solides (sphères, cônes, cubes, tores, etc.), et des solides plus avancés sont construits à partir de ces solides primitifs via des opérations booléennes (fig. 7) : fusion, soustraction, intersections, etc.

La texture et son rôle dans le scan 3D

En infographie et en scan 3D, la texture définit une image peinte sur une surface. Une image texture est stockée dans un fichier spécial où chaque pixel avec des coordonnées U et V a une couleur correspondante. L’application d’une texture sur une surface est appelée cartographie UV.

Étant donné que le cerveau humain se fie principalement aux ombres, couleurs et dégradés de couleurs pour percevoir le monde environnant, la texture est un moyen très efficace d’émuler une forme sans devoir changer sa géométrie, et est souvent utilisée par les concepteurs de jeux vidéo pour un rendu plus rapide et plus efficace.

Les fabricants de scanners 3D peuvent y inclure une caméra spéciale pour capturer la texture, appelée caméra de texture. L’obtention d’images de haute qualité nécessite un éclairage suffisant et uniforme, à moins que le scanner ne soit équipé d’un flash.

 

Surface sans couleurs de texture

Surface avec couleurs de texture

Fichier texture​

Conclusions sur la technologie 3D, le scan, l’utilisation actuelle et les tendances futures

Comprendre les divers composants des technologies 3D non seulement nous aide à mieux appréhender certains aspects du monde environnant qui stimulent la réflexion, mais nous donne également une idée sur la façon dont les solutions 3D, y compris le scan 3D, fonctionnent réellement.

Depuis deux décennies, les technologies 3D participent à de nombreux projets scientifiques difficiles et cruciaux à travers le monde. Certains incluent l’utilisation de scanners 3D laser et de logiciels pour préserver des sites et des objets du patrimoine culturel menacés de destruction, la rétro-conception de pièces aux surfaces et formes complexes par des ingénieurs équipés de scanners 3D portables à lumière structurée, puis l’utilisation de logiciels de CAO pour les étapes finales de la création de modèles 3D, et le scan de patients par des médecins et des professionnels de la santé pour une variété d’applications, notamment la conception de prothèses, les diagnostics en dermatologie, et bien plus.

Bien comprendre les technologies 3D devient chaque jour plus important. L’utilisation croissante des technologies 3D au sein de la société incite certains experts à affirmer que, dans l’avenir, celles-ci seront omniprésentes aussi bien dans les maisons que dans les écoles et les bureaux.

 

ÉLÉMENT CLÉ

Actuellement, l’adoption des technologies 3D se répand dans des domaines aussi variés que l’aérospatiale, l’ingénierie, la fabrication numérique, la médecine, les effets spéciaux numériques, et d’autres. Dans l’avenir, les spécialistes de la 3D ayant une expérience dans le scan peuvent s’attendre à ce que leurs compétences soient encore plus recherchées.

Pour les jeunes générations actuelles, les scanners 3D ne sont pas l’apanage des laboratoires ou, comme c’était le cas ces dernières décennies, des films et des romans de science-fiction. D’année en année, le scan 3D professionnel se rapproche de notre quotidien, et les fabricants de ces technologies se font un point d’honneur d’intégrer harmonieusement leurs solutions à tous les niveaux de la société. Résultat, même les enfants s’habituent à utiliser des scanners à lumière structurée en classe, ainsi qu’à voir des scanners 3D dans les cabinets médicaux et dentaires. Ce qui était jadis strictement limité au monde professionnel devient maintenant un aspect irremplaçable de notre vie de tous les jours.

Les producteurs de scanners et de logiciels 3D professionnels, y compris de scanners laser et de scanners à lumière structurée, font de grandes avancées en matière de précision et de résolution. Par ailleurs, les professionnels de la conception et d’autres spécialistes techniques adoptent le scan 3D plus volontiers que jamais car ils comprennent que ces scanners et les modèles 3D qui découlent de leur utilisation, facilitent leur travail et leur permettent de réaliser certains tâches auparavant impossibles ou extrêmement difficiles.

Les spécialistes en technologies imaginent une utilisation répandue de solutions telles que des applications éducatives de réalité virtuelle (RV) et de réalité augmentée (RA), grâce auxquelles les enfants visiteront la forêt amazonienne ou des sommets escarpés de l’Himalaya ou n’importe quel autre endroit, le tout depuis le confort de leur salle de classe ; les ingénieurs de conception numérique feront un usage intensif du scan 3D et de la modélisation en employant des environnements de RV/RA pour voir les objets qu’ils créent et interagir avec eux, puis en les imprimant en 3D dans les matériaux souhaités ; les médecins seront rapidement en mesure de scanner votre corps en 3D puis d’imprimer en 3D des organes de remplacement réalistes et d’autres structures anatomiques en utilisant vos propres cellules souches, éliminant complètement l’éventualité d’un rejet par le système immunitaire… et ce n’est pas tout.

Nous ne sommes qu’au début de l’exploitation du vaste potentiel du scan 3D.

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ÉCRIT PAR: 

Natalia Kivolya

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