La 3D : création ou acquisition d’un modèle numérique ?

Gee Bee 1930 : Lien

La modélisation 3D a changé significativement les habitudes de plusieurs catégories de professionnels ces dernières années. Deux méthodes distinctes et en quelque sorte opposée conduisent à l’obtention d’un modèle tridimensionnel. La méthode synthétique consiste à concevoir et élaborer un modèle sur la base de dessins réalisés par CAO. Après conception, l’objet peut être visionné sous différents angles, et son comportement face à des contraintes éventuellement simulé. L’objet peut ensuite être construit, bâti ou imprimé en 3D. A l’inverse, la méthode analytique consiste à scanner un objet, un bâtiment ou un lieu préexistant. Des photos, vidéos, scans 3D, télédétections sont entrepris afin de créer le modèle – image du réel aussi précise et analogue que possible, sur lequel des manipulations deviennent aisées.

Charge des rhinocéros, grotte Chauvet, numérisée en 3D : Lien

La diversité des logiciels reflète celle des métiers. Il est possible de distinguer grossièrement plusieurs types d’applications pour lesquelles l’une ou l’autre de ces méthodes est privilégiée.

  1. CAO (conception assistée par ordinateur) pour la modélisation géométrique et l’étude du comportement d’objets manufacturés, pour le design. Un rendu photoréaliste du modèle s’impose dans les domaines de l’immobilier. Le métier de perspectiviste ou d’infographiste 3D devient reconnu.
  2. BIM (modélisation des information liées au bâtiment). Modélisation de bâtiments de différentes dimensions, de quartiers et d’agglomérations.
  3. Jeux vidéos, cinéma, édition, art. Des modèles sont à l’origine d’images fixes et animées, d’effets spéciaux en 3D. Des images sont créées avec un pinceau 3D, des livres incluent des animations.
  4. Patrimoine et archéologie. Photogrammétrie et lidar rendent possible la génération d’un modèle 3D à partir de relevés numériques, de données photographiques et topographiques acquises sur le terrain ou en laboratoire.
  5. Imagerie médicale. L’échographie, la tomodensitométrie (CT scan), l’IRM, permettent de générer des modèles 3D qui vont guider les gestes du dentiste, du chirurgien, du prothésiste.
  6. Biochimie, chimie, chimie pharmaceutique. Des spectroscopies RX donnent accès aux structures moléculaires tridimensionnelles. La structure de molécules à activité pharmaceutique par exemple peut être observée, l’activité de molécules simulée.

Dédiée aux tablettes et smartphones essentiellement, la réalité augmentée (RA) propose un mixte des deux méthodes : du virtuel s’insinue dans le réel pour des applications techniques, commerciales ou ludiques. Les modèles obtenus peuvent ensuite être partagés et diffusés, visionnés. Les navigateurs proposent des formats et des outils libres, dédiés à la 3D, à la réalité virtuelle ou augmentée, et rassemblés sous la dénomination Web3D. Des formats propriétaires lancés par Intel, Microsoft ou Dassault Systèmes complètent ces possibilités. Des plateformes comme Sketchfab peuvent servir de lieu d’échange pour la diffusion sur le web de modèles libres, voire le commerce de modèles standards ou personnalisés. Quelques uns des logiciels, formats et outils de l’univers 3D sont ici présentés.

Reconstruction 3D de l’anatomie générale de la limace de mer Pseudunela viatoris, Fiji : Lien

1. DAO, CAO & BIM

  • 1.1 Logiciels libres et propriétaires gratuits
  • 1.2 Logiciels payants

2. Jeux vidéos, marketing, cinéma, art
3. Photogrammétrie, Lidar, maillage
4. Imagerie médicale
5. Structure tridimensionnelle des molécules
6. Diffusion sur le web

  • 6.1 Javascript
  • 6.2 PDF

Conclusion
Quelques autres liens

1. Architecture : DAO, CAO & BIM

Les étapes de la création incluent 1/ la modélisation : il s’agit sur la base de dessins de créer les objets en trois dimensions, comme un bâtiment, ou une pièce par exemple. 2/ Ensuite, le réglage des matériaux et le texturage : c’est là qu’on va peindre les objets pour les faire ressembler à des matières réelles (plastique, verre, métal…) ou leur donner un style différent (cartoon, fantastique…). 3/ Juste après avoir réglé les matériaux, on s’attaque à l’éclairage : il s’agit ici de placer une ou plusieurs lampes dans la scène et d’ajuster les ombres.

Conception assistée par ordinateur (CAO) : Lien; Building information modeling (BIM) : Lien; Dessin assisté par ordinateur : Lien; Logiciel de modélisation tridimensionnelle : Lien; Liste des logiciels CAO pour l’architecture, l’ingénierie et la construction : Lien; Impression 3D : Lien; Réalité virtuelle : Lien;

1.1 Logiciels libres ou gratuits

  • Autodesk 123D
  • LibreCAD
  • FreeCAD : FreeCAD est un logiciel à conception paramétrique qui propose des outils similaires à CATIA, SolidWorks et Solid Edge. Il est doté d’une architecture logicielle modulaire, qui permet l’ajout de nouvelles fonctionnalités très simplement, sans devoir modifier le noyau de l’application.
  • BRL-CAD
  • OpenSCAD
  • OpenSpace3D est une suite logicielle libre de développement de projets interactifs en 3D temps réel. Chez Huma-Num : Lien
  • QCad
  • SolveSpace

1.2 Logiciels propriétaires payants

Des éditeurs se partagent le marché des professionnels de la CAO et du BIM. Des livres à jour et en accès libre documentent aux éditions ENI les logiciels les plus employés.

2. Jeux vidéos, marketing, cinéma, art

  • Blender est un logiciel libre et gratuit de modélisation, d’animation et de rendu en 3D, créé en 1995. Il gère aussi le montage vidéo non linéaire, la composition, la création nodale de matériaux, la création d’applications 3D interactives ou de jeux vidéo grâce à son moteur de jeu intégré, ainsi que diverses simulations physiques telles que les particules, les corps rigides, les corps souples et les fluides. Nombreux formats d’export supportés. Présentation : Tutoriel
  • DAZ 3D : Daz Studio + Hexagon 3D Modeling (gratuit 🙂 ), Genesis 2, 3, 8, Carrara, Bryce ; personnages humains, paysages
  • Autodesk : Autodesk 3ds Max, ENI, Mudbox (peinture et sculpture)
  • NewTek : Lightwave 3D
  • SideFX : Houdini
  • Maxon : Cinema 4D , BodyPaint 3D
  • Pixologic : ZBrush (sculpture), Sculptris
  • Luxology : Modo
  • Rhinoceros 3D
  • e-on software : VUE Creator, VUE Professional, VUE Enterprise
  • Édition en ligne d’objets 3D (via WebGL) avec : Clara.io : Lien, Lien;
  • Peinture 3D (artistes de la texture) : Substance Painter (Adobe), Mari (The Foundry), blacksmith3d
  • RenderMan : moteur de rendu 3D
  • Tilt Brush : création d’une œuvre 3D peinte en réalité virtuelle.
  • Substance 3D (Allegorithmic), Adobe : logiciels de création de textures, utilisé notamment dans les domaines du jeu vidéo, du film d’animation et du design.
  • Unity 3D : est un moteur de jeu multiplateforme (smartphone, ordinateur, consoles de jeux vidéo et Web) développé par Unity Technologies. Il est l’un des plus répandus dans l’industrie du jeu vidéo, aussi bien pour les grands studios que pour les indépendants. Il a la particularité de proposer une licence gratuite dite « Personal » avec quelques limitations de technologie avancée au niveau de l’éditeur, mais sans limitation au niveau du moteur. Autres moteurs : Unreal Engine, CryEngine.
  • V-Ray, moteur de rendu 3D : Lien

Animation 3D : Lien; Motion design : Lien

3. Photogrammétrie, lidar, maillage

Le scan d’objets tels qu’une statue de 40 cm, un bâtiment ou un site archéologique peut s’avérer nécessaire. Des données photogrammétriques sont alors combinées à des relevés topologiques afin de créer des modèles tridimensionnels précis. Du côté des objets de petite dimension, l’utilisation combinée des technologies de scanners 3D et de l’impression 3D permet la réplication d’objets sans avoir à utiliser les techniques plus anciennes du moulage en plâtre. Des services en lignes ou des logiciels propriétaires effectuent les calculs. Pour les bâtiments de grande dimension, les données sont fournies par drone. Les Lidars permettent également d’enregistrer les reliefs du sol au centimètre près (planimétrie), en occultant la couverture végétale. Les principales étapes de génération incluent l’alignement, l’obtention d’un nuage de points, le mesh ou maillage, l’application et la finition d’une texture 3D.

  • Agisoft : Lien
    • PhotoScan, logiciel préféré des archéologues de l’UL. La version pro se nomme Agisoft MetaShape : Lien . Edition Standard, licence Huma-Num
    • Un tutoriel : Lien
  • AliceVision, la suite logicielle basée sur du libre (INP Toulouse) : Lien
    • Meshroom is a free, open-source 3D Reconstruction Software based on the AliceVision Photogrammetric Computer Vision framework : Lien
    • AliceVision is a Photogrammetric Computer Vision Framework which provides a 3D Reconstruction and Camera Tracking algorithms. : Lien
  • ARC 3D Webservice : Lien, tutoriel Arc3D and MeshLab, Part One, Part Two
  • Reconstruction 3D à partir de plusieurs images (ARC3D) : Lien
  • Photomodeler is a software application that performs image-based modeling and close range stereophotogrammetry, producing 3D models and measurements from photography. The direct alternatives to PhotoModeler are Australis, Elcovision, Agisoft Photoscan, and Pix4D (drones).
  • MeshLab est un logiciel libre de traitement de maillages 3D développé dans le but de fournir un outil généraliste pour la manipulation et l’édition de modèles 3D provenant notamment de scans 3D. meshlab.net et meshlabjs.net.
  • Les 10 meilleurs scanners 3D en 2019 : Lien
  • Comparaison des logiciels de photogrammétrie
  • Applications sur smartphone, drones. OpenDroneMap

Scanner tridimensionnel : Lien; Photogrammétrie : Lien; Comparison of photogrammetry software : Lien

4. Imagerie médicale

Elaboré en 1985, le format multimédia DICOM (Digital imaging and communications in medicine) est devenu incontournable dans le domaine de la radiologie. Le nommage des fichiers (.dcm), les noms de répertoires et les métadonnées (identifiant, patient, date, appareil d’imagerie, etc) associées aux images sont standardisés. Des logiciels compatibles avec le format se sont imposés. On trouve :

  • Visionneuses 2D gratuites : DicomWorks, Synedra, OsiriX
  • Visionneuses 2D payantes : eFilm Workstation, eFilm DICOM Dump, TSI Viewer
  • Visionneuse 3D locale comme Viewforum Lite, ou sur station de travail serveur 3D : Portal, TeraRecon, Siemens SungoVia
  • Des librairies pour les développeurs comme OFFIS DICOM Toolkit
  • 3DsizeME, orthèses, prothèses

La durée de conservation des archives médicales est de 20 ans. Disponibilité 24/7, confidentialité des données, bref du lourd… A noter, l’usage fréquent de l’imagerie 3D chez les dentistes et orthésistes.

5. Structure tridimensionnelle des molécules

Diffraction RX et stéréochimie.

N2 neuraminidase en complexe avec un nouvel antivirus : Lien

6. Diffusion sur le web et sur des applications

  • WebGL est un standard du web ouvert qui permet d’afficher des objets 3D et des éléments graphiques dynamiques dans la fenêtre d’un navigateur. Les objets interactifs 3D s’affichent dans un élément canevas (canvas). WebGL appelle à son tour le pilote OpenGL ES du système d’exploitation qui se chargera de faire les calculs nécessaires à l’affichage sur l’écran.
  • Édition en ligne d’objets 3D (via WebGL) avec : Clara.io : Lien, Lien;
  • Applications muséales (visioguides), restitution ou simulation de décors, réalité augmentée dans des décors sérieux, éducatifs et ludiques. Applications essentiellement pour smartphone, console de jeu ou appareils professionnels. exemples : urbasee, Beam me up

6.1 Bibliothèques javascript 3D

Des moteurs 3D écrits en javascript émulent les bibliothèques WebGL. Des sites web peuvent intégrer des effets 3D. Des moteurs physiques simulent des dynamiques de manière réaliste. Des jeux vidéos peuvent ainsi tourner dans un navigateur.

Physique statique :

Physique dynamique :

  • Cannon.js, moteur physique léger : Lien, Démo
  • Blend4Web : Lien, Démo
  • PlayCanvas, moteur physique lourd, payant : Lien
Démo de Babylon.js

6.2 Autres formats

Extensible 3D (X3D, animation) est un format de fichier graphique et multimédia orienté 3D. Créé par le consortium Web3D dans le but de succéder à VRML, X3D s’appuie sur une structuration de type graphe de scène et peut être exprimé à l’aide de trois syntaxes différentes, à savoir la syntaxe VRML classique, une syntaxe basée sur XML, et une version binaire. L’animation est supportée. Les mondes X3D peuvent être visualisés à l’aide de visionneuses spécialisées comme OpenVRML. Début 2005, de nombreuses entreprises ont quitté le consortium afin de créer leur propre technologie 3D basée sur XML :

  • Intel avec U3D (supporté par PDF)
  • Microsoft avec XAML (UI 3D)
  • Dassault Systèmes avec 3D XML (Infographie)

Autres formats de fichiers 3D : STL, OBJ, FBX (animation), COLLADA (animation), Autodesk 3DS, IGES, STEP, VRML, etc… Réalité augmentée : Lien

Réalité augmentée : Apple ARKit 3; Google ARCore; ViroAR

Conclusion

Les choix logiciels apparaissent en partie dictés par la nature et la taille des objets à modéliser : bâtiment existant ou à construire, outils et machines, environnement et niveau de rendu. Une animation s’avère particulièrement bienvenue dans le cas de la modélisation d’outils et de mécanismes, dans le cas d’une histoire scénarisée. Une vue fixe est préférable dans le cas de la modélisation de bâtiments ou de terrains, de reliefs et de maquettes. Les critères déterminants seront sans doute d’ordre humain (niveau technique) et financier. Certaines entreprises comme Microsoft, Google ou Dassault Systèmes proposent leur aide pour des projets présentant un fort intérêt éducatif ou patrimonial. Des projets OpenSource tels qu’AliceVision rendent abordable par un plus grand nombre les techniques de photogrammétrie.

Quelque soit le format de votre modèle, sa taille et les intentions qui la traversent, il convient de soigneusement classer et archiver vos travaux. Il est finalement possible de donner d’un objet numérique 3D une brève définition vaguement inspirée des mathématiques.

Tout comme une maquette, un objet numérique 3D est un modèle isomorphe tridimensionnel d’un objet réel ou imaginaire de plus vaste dimension.

Très bonne modélisation 3D !

Quelques autres liens

  • LOC 3D : A pilot project at the Library of Congress to test the use of photogrammetry for building digital models of three-dimensional items held in the Library’s collections : Lien
  • SHS 3D : Consortium pour les sciences humaines : Lien
  • Hébergement et lecteur d’objets 3D : Sketchfab (statique ou animation); 3D Warehouse; GrabCAD; Daz3D shop (personnages de jeu ou de cinéma)
  • Antiquité grecque; La Machine d’Anticythère : Vidéo 7:51
  • Le Mont-Saint-Michel, HoloForge interactive, Microsoft, 2019 : Lien
  • Les logiciels de modélisation 3D et de CAO les plus utilisés pour le design et la conception industrielle : Lien
  • 8 Most Common 3D File Formats in 2019 : Lien
  • Infographie tridimensionnelle : Lien
  • ArchéoFab, Nanterre : Lien
  • Brest en 3D, données ouvertes : Lien
  • Archéovision, CNRS : Lien
  • Perazio Engineering (Chauvet 3D) : Lien
  • Métropole Grand Nancy, OpenData 3D : Lien
  • Iconem (Microsoft) : Lien
  • Open Heritage (Google) : Lien
  • Fondation Dassault Systèmes : Lien
  • Si vous disposez d’un ordinateur suffisamment puissant et d’un bon débit, un modèle 3D animé sur sketchfab : Lien
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