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

La modélisation 3D a significativement changé les habitudes professionnelles de nombreuses personnes ces dernières années. Deux démarches distinctes et en quelque sorte opposées conduisent à l’obtention d’un modèle tridimensionnel numérique. La méthode synthétique consiste à concevoir et élaborer un modèle sur la base de dessins réalisés par CAO. Après conception, application d’une texture dont le but est de rendre plus réaliste le modèle, l’objet peut être visionné sous différents angles et son comportement face à des contraintes éventuellement étudié. Le modèle peut ensuite être synthétisé, construit, bâti ou imprimé en 3D.

A l’inverse, la méthode analytique consiste à scanner un objet, un bâtiment, un lieu, un être vivant préexistant. Des photos, vidéos, scans 3D laser, télédétections sont entrepris afin de créer le modèle – image du réel aussi précise et analogue que possible, sur lequel des manipulations et des études deviennent possibles. La texture appliquée à la géométrie consiste en une photographie de l’objet initial.

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 démarches 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. Les métiers de perspectiviste ou d’infographiste 3D deviennent reconnus.
2. BIM (modélisation des information liées au bâtiment). Modélisation de bâtiments et de portions de bâtiments, de quartiers et d’agglomérations. Implications possibles dans l’architecture, la préservation du patrimoine, l’urbanisme.
3. 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.
4. Applications médicales. La tomodensitométrie (CT scan), l’IRM, l’échographie, permettent de générer des modèles 3D qui vont guider les gestes du dentiste, du chirurgien, du prothésiste, de l’obstétricien. La modélisation facilite la compréhension de l’étendue d’une lésion, la réalisation d’une prothèse adaptée, la visualisation du développement d’un bébé.
5. 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.
6. 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.

Dédiée aux smartphones et aux casques essentiellement, la réalité augmentée (RA) propose un mixte des deux démarches : du virtuel s’insinue dans le réel pour des applications techniques, commerciales ou ludiques; le réel s’enrichit de modèles de synthèse qu’il est possible de manipuler comme une maquette. Les objets 3D 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.

Des grandes bibliothèques comme la BnF ou la British Library numérisent et exposent certains objets de leurs collections en 3D. L’université de Lorraine travaille en collaboration avec des photographes professionnel pour modéliser à l’aide d’un drone, aussi bien des bâtiments de grande dimension que des artéfacts comme des sculptures. Quelques uns des logiciels, formats et outils de l’univers 3D sont ici évoqués.

1. Architecture : DAO, CAO & BIM
   • 1.1 Logiciels libres et propriétaires gratuits
   • 1.2 Logiciels payants
   • 1.3 Quelques projets
2. Photogrammétrie, Lidar, maillage
3. Applications médicales
4. Structure tridimensionnelle des molécules
5. Jeux vidéos, marketing, cinéma, art
6. Diffusion sur le web
   • 6.1 Javascript
   • 6.2 PDF
7. Pour aller plus loin

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 (DAO) : 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

• MeshLab is a 3D mesh processing software system that is oriented to the management and processing of unstructured large meshes and provides a set of tools for editing, cleaning, healing, inspecting, rendering, and converting these kinds of meshes.
• 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 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.

• AutoDesk
  • Bâtiment – BIM : Lien
    • Revit, ENI
    • AutoCAD, ENI
    • Civil 3D, InfraWorks, Navisworks Manage
  • Conception – CAO : Lien
    • AutoCAD, ENI
    • Inventor
• Dassault Systemes
  • Bâtiment – BIM (GEOVIA ville territoire, 3DVIA Aménagement intérieur)
  • Conception – CAO
    • CATIA : Lien
    • SolidWorks : Lien, Site, ENI
• Graphisoft, architecture, BIM
  • ArchiCAD, ArchiCAD Start Edition, ENI
  • BIMx, présentation de projet architecturaux
• ESRI, CityEngine, licence Huma-Num
• Bentley Systems
  • MicroStation
  • ProjectWise
  • AssetWise; gestion des infrastructures d’un campus, Lien
• Sketchup (Google), un intéressant logiciel payant pour le BIM, bien documenté.

1.3 Quelques projets

• Antiquité grecque; La Machine d’Anticythère : Vidéo 7:51
• ArchéoFab, Nanterre : Lien
• Archéovision : CNRS / Université de Bordeaux. Archeovision est précurseur dans le domaine des technologies 3D appliquées au patrimoine et à l’archéologie, effectue des expertises et accompagne les porteurs de projets 3D mais réalise également des films, interfaces interactives, ainsi que des expériences en réalité virtuelle ou augmentée pour la valorisation du patrimoine et la médiation scientifique. Archeovision Production : Lien
• ArcheoGRID par Archeovision, outil collaboratif pour gérer la documentation (iconographie, relevés…) des projets en Humanités Numériques (SHS) intégrant de la 3D : annotation, indexation, préservation, sauvegarde, dissémination : Lien
• Perazio Engineering (Chauvet 3D) : Lien
• Métropole Grand Nancy, OpenData 3D : Lien
• Strasbourg Eurométropole, Services de visualisation et de téléchargement de données 3D : Lien
• Géo Pays de Brest en 3D : Lien

2. 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 sans avoir à utiliser les techniques plus anciennes du moulage en plâtre et de la peinture. 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
• Blender
• 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

Modélisation topographique (AGISOFT Metashape, images tuilées)

3. Applications médicales

Les applications de la modélisation 3D en médecine concerne un nombre croissant de secteurs. L’impression 3D apparaît comme une solution pertinente pour le secteur de l’orthodontie. Avec un scan 3D obtenu à l’aide d’une caméra optique dédiée, les dentistes peuvent imprimer en 3D des modèles, positionner les appareils sans déranger leur patient. Ils peuvent dématérialiser leur travail et gagner du temps sur la création des moules. Cela permet également d’apporter des solutions sur le plan du stockage des données. La 3D investit également le secteur des prothèses de membres et des implants personnalisés. Des prothèses et orthèse de coût réduit peuvent être imprimées.

L’imagerie 3D en tomodensitométrie consiste à mesurer l’absorption des rayons X par les tissus puis, par traitement informatique à numériser et enfin reconstruire des images 2D ou 3D des structures anatomiques. Dans les appareils modernes, l’émetteur de rayons X effectue une rotation autour du patient en même temps que les récepteurs situés en face. Les données obtenues sont ensuite traitées par ordinateur, ce qui permet de recomposer des vues en coupes bidimensionnelles puis des vues en trois dimensions des organes. On peut faire ressortir le contraste de certains tissus, en particulier des vaisseaux sanguins en injectant un produit dit « de contraste ». Une actuellement onéreuse chaîne de traitement des données dot être mise en place.

Si l’imagerie par résonance magnétique (IRM), technique non irradiante utilisant les champs magnétiques, permet une étude précise des tissus mous, celle-ci ne permet pas l’étude des os trop pauvres en hydrogène, ni donc la recherche fine de fractures. Des imageries 3D moins précises peuvent cependant être effectuées en échographie. Parmi les applications, il est possible de citer l’obstétrique. Une impression grandeur nature peut être réalisée et servir par exemple à une mère aveugle.

Élaboré à partir de 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. La durée de conservation des archives médicales est de 20 ans. Disponibilité 24/7, confidentialité des données, bref du lourd…

• Comment l’impression 3D impacte le secteur médical ? Sculpteo : Lien
• Imagerie 3D en Tomodensitométrie, Université de Technologie de Compiègne, Yann Evrard, Julien Mouchel, Damien Strainchamps : Lien
• 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

4. Structure tridimensionnelle des molécules

Diffraction RX et stéréochimie.

5. 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. 2D, 3D, réalité virtuelle, scripts C#. Unity hub. Autres moteurs : Unreal Engine, CryEngine. (gratuit pour l’enseignement)
• V-Ray, moteur de rendu 3D : Lien

Animation 3D : Lien; Motion design : 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 (en provenance d’Unity par exemple). 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
• Plateforme Sketchfab : Lien
• Conservatoire National des Données 3D : Lien
• BnF Gallica, Objets numérisés en 3D : Lien (clic gauche pour faire tourner, clic droit pour les translations)
• British Library, Sketchfab 3D : Lien
• Vidéo 360 ou FlyBy, caméra Ricoh Theta Z en HD, à l’aide de Ffmpeg pour traiter la vidéo, windows est préféré. Vidéos visionnées à l’aide de Three.js. Fichier MP4 360°.

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 :

• 3DHOP (3D Heritage Online Presenter) is an open-source framework for the creation of interactive Web presentations of high-resolution 3D models, oriented to the Cultural Heritage field. 3DHOP target audience ranges from the museum curators with some IT experience to the experienced Web designers who want to embed 3D contents in their creations. Fonctionne avec les formats de fichiers Nexus .nxs .nxz : Lien, Démo
• Three.js : Lien, Démo
• VTK.js : Lien, Démo
• Babylon.js : Lien, Démo

Physique dynamique :

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

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

7. Impression 3D

Photogrammétrie

• Blender
• 3D Builder : réparation

Modèle numérique de terrain, modèle LIDAR avec données du CRAIG

8. Simulation

Simulation d’un écoulement sur les flans d’un relief.

• Pré-calculée : simulation d’écoulement. VolcFlow MatLab. r.avaflow
• temps réel : Unity

9. Pour aller plus loin

• SHS 3D : Un Consortium 3D pour les SHS, création, usage scientifique, conservation des données 3D (2018-2022) : Lien
• Plemo 3D est l’unique structure en France à proposer une prestation complète de la numérisation à la modélisation pour proposer des médias supports de communication valorisant les travaux et les œuvres auprès d’une audience scientifique ou grand public : Lien
• Objets numérisés en 3D, BnF, 2016-2021 : Lien
• 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
• Hébergement et lecteur d’objets 3D : Sketchfab (statique ou animation); 3D Warehouse; GrabCAD; Daz3D shop (personnages de jeu ou de cinéma)
• Iconem (Microsoft) : Lien
• Open Heritage (Google) : Lien
• Fondation Dassault Systèmes : Lien
• Holoforge Interactive, Réalité mixte : Lien
• Si vous disposez d’un ordinateur suffisamment puissant et d’un bon débit, un modèle 3D animé sur sketchfab : Lien
• Le buste de Poincaré en 3D sur Sketchfab, Université de Lorraine, Nicolas Dohr : Lien
• Photogrammétrie par Nicolas DOHR : Lien

Conclusion

Les choix logiciels des professionnels de la 3D apparaissent en partie dictés par la taille des objets à mettre en scène (bâtiment existant ou à construire, artéfacts divers, morphologie humaine ou animale, molécule) et par le niveau de rendu souhaité. 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 interactive se montre préférable pour modéliser des bâtiments et terrains, des maquettes, artéfacts divers et molécules. Les critères déterminants seront sans doute d’ordre financier, humain, politique et technique (personnes et formations, matériels de prise de vue à disposition, drone et ses autorisations de pilotage, formation des professionnels de l’imagerie médicale).

Dans le domaine patrimonial, certaines entreprises comme Microsoft, Google ou Dassault Systèmes proposent leur aide pour des projets à fort intérêt éducatif. Des projets OpenSource tels qu’AliceVision Meshroom 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, l’archivage de vos travaux n’est pas à traiter à la légère car les formats restent en 2020 grandement changeants, les données volumineuses. Munies d’une licence, vos modèles sont sans doute possibles à partager sur une plateforme ouverte comme par exemple celle du Conservatoire National des Données 3D.

Il est finalement possible de donner de ces vues tridimensionnelles électroniques une brève définition vaguement inspirée de la géométrie génératrice de ces modèles : tout objet numérique 3D est un modèle isomorphe tridimensionnel d’un objet réel ou imaginaire de plus vaste dimension. Très bonne modélisation 3D !

• AliceVision Meshroom : Wikipédia
• Modèle 3D d’un cercle méridien de Repsold (pour détermination astronomique de l’heure), 19th Century Meridian Circle of Repsold par Global Digital Heritage sur Sketchfab
• Préserver les formats de fichier 3D, DigitalPreservationCoalition : Lien