Coût-efficacité de systèmes de modélisation 3D: Scanners 3D et Photogrammétrie - Imprimantes 3D - Drones et ULM

 

1 - CONSTATS

La possibilité offerte par le gratuiciel GOOGLE-EARTH de voir des "bâtiments 3D" sur la terre entière est utilisable pour faire découvrir un thème historique par liens hypertextes vers des itinéraires passant par plusieurs pays avec présentation de monuments et de maquettes ayant chacun leur petite histoire.

Les deux problèmes rencontrés jusqu'à maintenant étaient l'impossibilité de saisir le monument en 3D aussi fidèlement que possible (gratuiciel "SketchUp" inadapté aux volumes non géométriques comme les sculptures) et de le fabriquer (absence de liaison entre CAO 3D et imprimante 3D).

En 2014-2015, il existe des produits de reproduction 3D et des porteurs aériens d'appareils photographiques ou de caméras, plus ou moins bas-coûts:
--- Scanner "Kinect" (250 euros), Personal Printer 3D "UP" (1.700 euros);
--- Logiciel de Photogrammétrie "PhotoScan" (175 euros) couplé à l'appareil réflex type Nikon D3200 (600 euros; poids 1kg, embarquable sur drone de charge utile 1,5kg; télécommandable par PC via gratuiciel DigiCamControl et mini-prise USB);
--- Drones de "loisirs" (voir le "GUIDE D'UTILISATION de drone pour pilote amateur élaboré par PNJdrone - Helicomicro" et les Règles d'utilisation d'un drone de loisirs mises à jour le 15/12/2014 et disponibles sur le site du Ministère de l'écologie, du développement durable et de l'énergie);
--- ULM autogires et hélicoptères.
Ces moyens associés entre eux en fonction des critères coût, résolution souhaitée, météo du moment (vent en particulier), permettent de disposer de systèmes de modélisation 3D reconfigurables, pour créer la maquette désirée: monument ou groupe de maisons à grande échelle; monument ou groupe de maisons sur terrain 3D à petite échelle.

Le support financier apporté en Octobre 2014 par GOOGLE à la start-up Magic leap travaillant sur la réalité augmentée (RA) laisse présager, en 2015 - 2020, la possibilité d'améliorer des animations RA avec des modèles 3D existants via des extensions logicielles du type AR media
Une explication possible de la technique utilisée pour le bond magique de "Magic Leap" est donnée sur le site GIZMODO: une fibre optique reliée à une mini-caméra via un petit ordinateur portable projette sur les verres d'une "GOOGLE GLASS" aussi bien la petite fille qui caresse son chien (monde réel filmé) que le petit éléphant qui s'envole (monde virtuel créé à partir de modèles 3D animés en VRML); le porteur des GOOGLE GLASS regardant l'ouverture de ses mains ou à l'extérieur plonge donc d'un bond magique dans la "réalité augmentée"...!

 

2 - ACTIONS

- DÉCOUVRIR ------------------------------- => RENDRE VISITE ou CHARGER via internet
- PP3D "UP" - "Kinect" ---------------------- => Auto-entrepreneur, "FabLab"
- Scanners industriels à ligne laser ---------- => Stands "Creaform", "Faro" à salon "eNova",
- Logiciels de maillage ---------------------- => Gratuiciel "Meshlab",
- Logiciels de CAO -------------------------- => Version d'essai "Rhinoceros",
- Logiciels de photogrammétrie ----------- => Version d'essai "PhotoScan", "PhotoModeler".

 

3 - ESSAIS

Les essais de reproduction 3D ont porté sur un volume "simple" et des volumes "complexes". Un buste en bronze est un volume "simple" à saisir en 3D par rapport à une maquette de monument à huit personnages, un cheval, deux drapeaux, possèdant de nombreux détails (képis, hampe de drapeau, oreilles du cheval) et "recoins" difficiles à saisir.

 

31 - Volume "simple": buste

311 - Solution scan 3D avec "HandyScan"

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Vue sous gratuiciel "MeshLab": Fichier "Buste.ply" provenant du "HandyScan" de "Creaform" (société canadienne, bureau Grenoble) essayé à "eNova Paris 2014"

La société "Creaform" a aimablement accepté de scanner le buste avec un "HandyScan" (30.000 euros) lors du salon "eNova Paris 2014"; durée de l'opération 15 minutes; le résultat 3D est excellent au niveau des détails; le balayage laser ne permettant pas d'obtenir des textures, la reproduction en plastique ABS doit être peinte.

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13/10/2014 Fichier "Buste.stl" sorti sur imprimante "PP3D-UP" de BREIZ-3D 56" - Buste peint de la couleur "vieil or"

L'auto-entrepreneur "Breiz 3D 56" a sorti ce buste sur son imprimante "PP3D-UP" (1.700 euros).

312 - Solution "Photogrammétrie" -


Vue sous logiciel "PhotoScan": Fichier "Buste.ply" provenant du "Nikon D 3200" associé à "PhotoScan 64 bits" de "Agisoft" (société russe basée à Saint Petersbourg)
Les différents emplacements du Nikon D 3200, pour la "corrélation épipolaire dense", sont indiqués par les rectangles bleu matérialisant les photos prises (35 photos au format. jpg de 6 MO; ils nécessitent de travailler en 64 bits avec 16 GO de RAM)

Une solution à base de photogrammétrie, utilisant un réflex "Nikon D 3200" et le logiciel "PhotoScan" a ensuite été essayée; vu la qualité du modèle 3D et des textures (inscriptions parfaitement lisibles), cette solution a été adoptée pour la suite du travail de saisie 3D.
La couleur très sombre du bronze nécessite, même en plein jour, l'utilisation d'un projecteur de 400 watts sur la partie arrière du buste, la partie avant étant placée face au soleil; dans le cas de monuments en pierre, il n'y a pas de problèmes.

 

32 - Volume "complexe": maquette de monument à plusieurs personnages de moins de 1 mètre de haut

321 - Solution scan 3D avec "Kinect"


Photo: Maquette monument Roi Alexandre (fichier "Muette.ply" fait avec scanner "Kinect" de "Breiz 3D 56) - Reproduction en 2 morceaux: sculpture peinte de 6,5cm de haut posée sur socle de 8cm de haut (dessiné en 3D avec gratuiciel "SketchUp" en 2008);
2 morceaux sortis sur "PP3D-UP" de "Breiz 3D 56" (volume travail: 12cm x 12cm x 12cm); les inscriptions des plaques sont sorties en couleur sur papier avec une imprimante jet d'encre

L'auto-entrepreneur "Breiz 3D 56" a saisi en 3 heures, avec le périphérique "Kinect" de la console de jeux "X Box 360", la maquette du monument du roi Alexandre (70cm de haut) éclairée par 4 projecteurs de 400 watts en latéral et 1 projecteur de 100 watts en vertical.
Vu la hauteur de 6,5cm du monument en bronze sorti sur "PP3D-UP", la résolution de la maquette peut être considérée comme suffisante; elle sera trop sommaire pour une diffusion éventuelle à une plus grande taille (voir lien "Projet Innovation 2014-2015").

322 - Solution "Photogrammétrie"


Vue sous logiciel "PhotoScan": Fichier "Muette.ply" provenant du "Nikon D 3200" associé à "PhotoScan 64 bits" de "Agisoft" (société russe, vente par internet)
Les différents emplacements du Nikon D 3200, pour la "corrélation épipolaire dense", sont indiqués par les rectangles bleu matérialisant les photos prises; 35 photos au format .jpg de 6 MO nécessitent de travailler en 64 bits avec 16 GO de RAM.

La saisie 3D par "HandyScan" n'étant pas possible pour une question de coût et celle avec "Kinect" étant trop sommaire, le couple "Nikon" - "PhotoScan" a été utilisé avec le même éclairage additionnel que celui du "Kinect" (4 projecteurs de 400 watts; 1 de 100 watts).
La qualité du modèle 3D et des textures, comme dans le cas du buste, est excellente: les inscriptions sont lisibles sur la plaque de cuivre du support en bois et sur les drapeaux en bronze. Toutes les options de traitement étaient mises sur "moyen".
Le fichier de la statue en bronze passé au format .skp, sera intégré à celui du monument global existant sur "SketchUp Warehouse" au format .skp après réduction du nombre de facettes pour diminuer la taille du fichier final à envoyer par internet à "SketchUp WareHouse".

323 - "CAO 3D" et "Photogrammétrie"

Cette solution mixte utilise:
- la "CAO 3D" (gratuiciel SketchUp, logiciel Rhinoceros) pour dessiner le socle du monument dont les formes sont géométriques;
- la "photogrammétrie" pour saisir en 3D l'oeuvre du sculpteur en bronze ou en pierre posée sur le socle en pierre.
Dans les 2 cas, un même facteur de réduction est choisi, fonction de la hauteur souhaitée pour la maquette et du volume de travail de l'imprimante utilisée (PP3D "UP" = 12cm x 12cm x 12cm).
Les fichiers résultants (.skp; .stl ou .obj) donnent naissance à la maquette du monument.

 

33 - Volume "complexe" de 25cm à 8 mètres de haut

Solution "Photogrammétrie" - Le couple "Nikon" - "PhotoScan" a été essayé en intérieur et extérieur, à terre et en l'air, de la plus petite taille (25cm) à la plus grande taille (8m) sur les objets et monuments ci-dessous:
- Shako avec casoar, tête de brocard naturalisée;
- Puits breton 5 boules;
- Statue de Turenne sur l'ancien marchfeld de St-Cyr Coëtquidan;
- Statues de Buffon et de Fremiet au Jardin des Plantes à Paris;
- Stèle "Montmirail" aux abords Ouest de Montmirail avec inscriptions et gravures sur 3 faces (2m50 de haut); ce monument a déjà été fait en CAO avec le gratuiciel SketchUp (voir BD "Christian" sur SketchUp Warehouse);
- Monuments: "Les fantômes" et "La France" de Landowski (8m et 5m de haut) sur la butte de Chalmont; "Monument américain" de Château-Thierry.


Nikon D750 (f 120mm, v 1/2500, cadence 1 s, stabilisation M/A et VR ON) tenu à la main dans cockpit hélico ULM sur trajectoire circulaire
Vues obliques sous logiciel "PhotoScan" - Zoom et recopie d'écran du fichier au format .psz correspondant au monument "Les Fantômes"
De gauche à droite sur un bout de "terrain 3D" correspondant à la Butte de Chalmont:
- 1er rang: jeune soldat de la dernière classe appelée, sapeur et sa pioche, tireur au Fusil-Mitrailleur, grenadier-voltigeur avec ses sacs à grenade
- 2e rang: tirailleur marocain avec burnous séchant sur sac à dos, fantassin avec sac, aviateur coiffé de son serre-tête en cuir
- au milieu: un homme nu représentant la jeunesse de la France sauvée par les soldats tués au combat et devenus les fantômes de Landowski.


Monument "Les Fantômes" vu sous MeshLab après export au format .obj (.mtl, .jpg) à partir du fichier au format .psz ci-dessus


Photo du monument "Les Fantômes" imprimés 3D par SCULPTEO à partir fichier au format .obj (.mtl, .jpg) ci-dessus, reçu via internet dans dossier compressé

Le résultat des essais est visible sur le site Sketchfab.com/cdg qui est un des deux sites prévus par PhotoScan pour la présentation des reproductions 3D envoyées directement dans le format "maison" .psz .

 

4 - CONCLUSIONS

41 - Photogrammétrie: L'appareil réflex "Nikon D3200" associé au logiciel "PhotoScan" est une solution de saisie 3D "bas coût" très intéressante pour une utilisation au sol (budget total 2.000 euros: Nikon, portable 64 bits, logiciel PhotoScan) à condition d'utiliser un portable 64 bits (temps de calcul peut être de plusieurs heures) avec processeur Intel Core i7, 16 MO de RAM et carte graphique Nvidia Geforce GTX850M.

Il faut bénéficier cependant de bonnes conditions de prises de vues en extérieur: un ciel uniformément couvert à midi est l'idéal, sinon la texture reproduit exactement les faces éclairées et sombres. En intérieur, il faut 4 projecteurs de 400 watts en latéral et 1 projecteur 100 watts en vertical.
Un bronze de couleur noire est impossible à saisir en extérieur sans projecteurs d'appoint.

Seules les parties vues par le réflex peuvent être reproduites en 3D; donc, si le monument fait plus de 2m de haut, le photographe doit prévoir
- soit de monter dans un godet de tracteur agricole ou dans une nacelle motorisée de location,
- soit de s'installer à la place passager dans un ULM (autogire, hélicoptère, chariot sous aile motorisée),
- soit de fixer son appareil sur un mât et de le télécommander dans la bonne position et avec les bons réglages sur chacun des points de prise de vue.

La société ESCADRONE propose une service à la carte intéressant pour le client disposant de "PhotoScan": elle lui fournit un DVD avec les photos "ad-hoc" prises par un de ses drones sur le monument à reproduire en 3D (location de drone avec télépilote par "pack 1/2 journée").

42 - "PhotoModeler": Ce logiciel de photogrammétrie sera testé dans sa version d'essai 15 jours avec reconduction possible, à titre de comparaison au niveau de l'ergonomie logicielle et des possibilités 3D offertes.

43 - Imprimante 3D: Vu le coût de ce type de matériel et la rapidité de son évolution, l'impression 3D est à soustraiter
- soit via un fichier .stl, envoyé à un auto-entrepreneur (pas de TVA à payer) utilisant le plastique ABS;dans ce cas, la peinture reste à faire: bombe TAMIYA COLOR couleur "bronze", bombe décoration ALTONA couleur "or riche", petit pôt de peinture polyuréthanne MINI COLOR "blanc mat" et colorant universel "oxyde jaune" pour obtenir une couleur "pierre";


Buste de 7cm de haut peint avec bombe Tamiya (fichier .stl; PP3D "UP 2" volume travail 12cm x 12cm x 12cm; plastique ABS ; auto-entrepreneur)
Buste de 12cm de haut vernis avec bombe Altona (fichiers .obj, .jpg, .mtl; Zprinter 650, volume travail 25cm x 38cm x 20cm, couleurs CMJN; poudre composite;
économie de matière par évidement automatique intérieur volume via 2 trous à positionner; société Sculpteo, service d'impression en ligne)

- soit, avec des textures, via des fichiers .obj, .mtl, .jpg placés dans un dossier compressé, envoyé à SCULPTEO (vision 3D couleur du fichier qui sera imprimé) pour sortie en couleur sur matière type plâtre coloré avec une couche de vernis pour améliorer le piqué de la couleur.
La finesse des inscriptions à reproduire sur les plaques de bronze peut être obtenue


Plaque GRAVOPLY de 4,1cm de long sur 1,5cm de haut gravé et découpé au laser avec LS900
mise sur le côté droit de la maquette du monument du roi Alexandre (Place de Colombie 75016) à la place d'un tirage couleur sur papier (voir photo § 321)

- soit en faisant appel à un graveur disposant d'une machine à graver laser type GRAVOGRAPH LS900 et de plaques GRAVOPLY d'une épaisseur de 1,6mm (2 couches superposées) et des bonnes couleurs (la couleur de la couche du dessus donne la couleur de la plaque, la couleur de la couche du dessous donne la couleur des inscriptions);
- soit tout simplement en collant aux emplacements des plaques sur le socle du monument (voir photo § 321), une sortie papier des plaques via une imprimante couleur jet d'encre.

44 - Porteurs aériens: Dans le cas de la saisie de monuments de grande taille, si le photographe "de loisirs" maîtrise bien appareil Nikon D750, logiciel Photoscan et calcul des paramètres - appareil photo, vol ULM (voir Cours, ULM-HOP-WIC & Nikon D3200 Essais de Paramètres) - , il peut faire appel à un club ULM disposant d'un autogire ou d'un hélicoptère avec un pilote expérimenté capable de tenir, malgré le vent, les bons paramètres sur la trajectoire prédéterminée à l'avance (GPS, GOOGLE EARTH), entre 5 et 10m près (pas de GPS différentiel) visualisable sur l'écran du GPS et par rapport à des points de repère au sol.

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PS: Merci de donner remarques, idées ou le bonjour encliquant ci-dessous:

christian.degastines@orange.fr

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