Scan 3D low-cost

Suite à notre dossier sur l’impression 3D, il nous semblait intéressant de nous intéresser à la problèmatique opposée : numériser des objets réels, autrement dit le scan 3D !

Nous vous proposons donc un petit aperçu des possibilités actuelles, en nous focalisant pour le moment sur les solutions low-cost (allant de 0 à 300€).
Comme pour l’article sur l’impression 3D, ce dossier sera régulièrement mis à jour. Il est donc à considérer comme un Work in progress, et non comme une version définitive.

Le but est d’aller au-delà du simple catalogue de logiciels : astuces et techniques pour améliorer vos scans, explications sur les méthodes employées par les logiciels, voire, qui sait, galerie de vos meilleures réalisations, les possibilités sont vastes !

N’hésitez donc surtout pas à nous indiquer vos critiques et suggestions pour améliorer ou compléter ce dossier, par exemple sur le sujet de forum lié. Vous pouvez également contacter l’auteur : benoit – at – 3dvf.com

De nombreuses méthodes de numérisation 3D ont été développées.

Voici un petit aperçu de celles applicables dans le cadre de notre contrainte du low-cost :

Scan laser

Une ligne laser (un simple point peut suffire avec certains algorithmes, mais le temps de scan est alors bien plus long) est envoyé vers l’objet cible. Une caméra enregistre la scène, et la reconstruction se fait tout simplement par triangulation. Ceci implique que la position de la source laser par rapport à la caméra soit connue.
Une variante consiste à utiliser une référence (coin de calibration par exemple) qui pourra servir non seulement à calibrer la caméra (déformations liées à l’optique utilisée) mais aussi à effectuer le scan : on projette la ligne laser sur le coin de calibration, l’objet étant placé entre le coin et la caméra. Ainsi, le faisceau lumineux va créer deux lignes droites (une sur chaque cîté du coin de calibration), et l’objet interceptera la partie centrale du faisceau. La déformation par rapport à la ligne « théorique » (sans objet devant le coin) permet de calculer la forme de l’objet. L’avantage de cette méthode est notamment de ne pas nécessiter de connaître au préalable la distance laser-caméra (cas d’un balayage laser à la main et non motorisé).

Lumière structurée

Le principe est exactement le même que dans le cas d’une ligne laser, mais on projette ici un motif, qui peut par exemple être une série de bandes. Même s’il faut projeter plusieur motifs (ou décaler un motif unique) pour balayer toute la surface, le procédé est évidemment plus rapide que le scan laser.

Vision stéréoscopique

Deux appareils photo sont dirigés vers la scène. La reconstitution du relief se fait ensuite sur le principe de la vision humaine, en fonction du décalage entre les deux points de vue. Les paramètres de prise de vue doivent être connus (distance entre les points de vue).

photogrammétrie

Comme pour la vision stéréoscopique, on utilise des photos de la scène. Mais ici, pas de vision relief : l’approche consiste plutôt à repérer les similitudes entre photos, prises tout autour de l’objet, pour déterminer des « points remarquables », tels qu’un coin d’immeuble. En ayant de nombreux points visibles sur plusieurs photos, on va reconstituer la forme approximative de l’objet. Utile par exemple en architecture, d’autant plus que d’autres méthodes ne sont alors plus utilisables (ex : laser disponibles publiquement pas assez puissants pour projeter une ligne à 10 mètres de distance). Cette approche peut être automatique ou assistée par l’utilisateur.

Photométrie

Méthode plus rarement utilisée, elle consiste à prendre l’objet en photo d’un seul point de vue, mais avec des conditions lumineuses changeantes. On peut alors, en étudiant les variations de lumière, déterminer la normale de chaque point de l’objet. Peut par exemple être utilisé pour créer une normal map d’un bas-relief.

Scanner médical

Si les scanners médicaux ne sont financièrement pas à ranger dans la catégorie low-cost, le fait que bien souvent les données soient disponibles sur CD/DVD transmis au patient peut être une piste à explorer. Inconvénient majeur, impossible de choisir l’objet à scanner.

Techniques basées sur la silhouette de l’objet

En prenant l’objet en photo sur un fond uni, on peut déterminer son contour. A partir d’une séquence de photos (par exemple en faisant tourner l’objet sur lui-même), déterminer sa forme de façon approximative est donc possible. Les objets ayant des zones concaves (creux) posent problème.
Une variante de cette méthode consiste à créer des « coupes » de l’objet de façon non invasive, en plans parallèles. Cela est par exemple possible en immergeant progressivement l’objet dans un liquide opaque.

Reconstruction 3D à partir de la profondeur de champ

Lorsqu’un objet est pris en photo avec une grande ouverture et/ou un fort grossissement (photo macro), la profondeur de champ est très réduite. En prenant plusieurs photos de cet objet dans des conditions contrôlées, et avec comme unique variante la distance appareil photo-objet ou la mise au point, on va obtenir une série de clichés sur lesquels la zone nette, qui correspond à un plan, variera. On peut donc utiliser cette série de photos pour reconstruire la forme de l’objet.

La multiplicité des techniques complique évidemment la tâche de celui qui débute dans le domaine : que choisir, indépendamment des considérations de coût, pour un projet particulier ?
En pratique, les avantages et inconvénients de chaque technique donnent quelques pistes…

La taille de l’objet

Critère primordial, l’échelle de travail.

– Pour un objet de très petite taille (de quelques millimètres à quelques centimètres) :
Le scan laser peut donner des résultats satisfaisants, pourvu que l’on opte pour une ligne laser fine, avec mise au point ajustable, et d’une caméra adaptée.
Du côté de la photogrammétrie, la faible profondeur de champ peut poser de sérieux problèmes ; il faudra veiller à fermer au maximum l’objectif de l’appareil, et donc à avoir un éclairage puissant.
Reconstituer la silhouette de l’objet en le plongeant dans du liquide est mission impossible si l’objet est très petit, en raison de la tension superficielle qui fausse la mesure.

Par contre, l’utilisation de la profondeur de champ peut, a priori, donner de très bons résultats, puisque la macro donne naturellement une zone de netteté faible.

– Objet de taille moyenne (de quelques centimètres à 1 ou 2 mètres) : la majorité des techniques pourront être employées.

– Objet de grande taille (2 mètres et au-delà) : L’utilisation d’un laser ou de lumière structurée pourra finir par poser problème, sauf à utiliser du matériel puissant pour compenser l’atténuation.  Photogrammétrie et vision stéréoscopique sont sans doute les meilleures solutions.
Une possibilité alternative sera de reconstruire l’objet par portions, qui seront ensuite assemblées en 3D.

Scène mobile ou non

Si l’objet ou la scène à scanner ne sont pas fixes, des problèmes surviendront évidemment lors du scan et de la reconstruction. On peut toutefois envisager de reconstituer la scène d’un point de vue donné ou à 360° avec certaines méthodes :

– La lumière structurée, en projetant un motif sur toute la scène, peut acquérir rapidement une passe de scan.
– La vision stéréoscopie, si elle est pratiquée avec un appareil photo relief ou deux appareils synchronisés, pourra sans peine être utilisée.
– La photogrammétrie peut être envisagée avec plusieurs appareils placés autour de la scène, à la manière des rigs utilisés pour le bullet time de Matrix… Mais on sort ici de la contrainte low-cost.

Notez toutefois que pour des mouvements minimes (personne immobile mais respirant lentement), les autres méthodes donnent des résultats tout à fait satisfaisants.