La numérisation 3D est le processus d'analyse d'un objet ou d'un environnement du monde réel pour collecter des données tridimensionnelles sur sa forme et éventuellement son apparence, telle que la couleur. Les données collectées peuvent ensuite être utilisées pour construire des modèles 3D numériques. Un scanner 3D peut reposer sur de nombreuses technologies différentes, chacune avec ses propres limitations, avantages et coûts. De nombreuses limitations subsistent concernant les types d'objets pouvant être numérisés. Par exemple, la technologie optique peut rencontrer des difficultés avec les objets sombres, brillants, réfléchissants ou transparents, tandis que la tomographie industrielle à rayons X, les scanners 3D à lumière structurée, le LiDAR et les scanners 3D à temps de vol peuvent être utilisés pour construire des modèles 3D numériques sans essais destructifs.
Les données 3D collectées sont utiles pour une grande variété d'applications. Ces dispositifs sont largement utilisés par l'industrie du divertissement pour la production de films et de jeux vidéo, y compris la réalité virtuelle. D'autres applications courantes de cette technologie incluent la réalité augmentée, la capture de mouvement, la reconnaissance gestuelle, la cartographie robotique, le design industriel, l'orthétique et la prothétique, l'ingénierie inverse et le prototypage, le contrôle qualité et l'inspection, ainsi que la numérisation d'artefacts culturels.
Fonctionnement
L'objectif d'un scanner 3D est généralement de créer un modèle 3D. Ce modèle 3D consiste en un maillage polygonale ou un nuage de points d'échantillons géométriques sur la surface du sujet. Ces points peuvent ensuite être utilisés pour extrapoler la forme du sujet, un processus appelé reconstruction. Si des informations de couleur sont collectées à chaque point, les couleurs ou textures sur la surface du sujet peuvent également être déterminées.
Les scanners 3D partagent plusieurs caractéristiques avec les caméras. Comme la plupart des caméras, ils ont un champ de vision conique et, comme les caméras, ils ne peuvent collecter des informations que sur les surfaces qui ne sont pas obscurcies. Alors qu'une caméra collecte des informations de couleur sur les surfaces dans son champ de vision, un scanner 3D collecte des informations de distance sur les surfaces dans son champ de vision. L'« image » produite par un scanner 3D décrit la distance à une surface à chaque point de l'image, permettant d'identifier la position tridimensionnelle de chaque point.
Dans certaines situations, un seul scan ne produit pas un modèle complet du sujet. Plusieurs scans provenant de différentes directions sont généralement utiles pour obtenir des informations sur tous les côtés du sujet. Ces scans doivent être ramenés dans un système de référence commun, un processus généralement appelé alignement ou recalage, puis fusionnés pour créer un modèle 3D complet. Ce processus entier, allant de la carte de profondeur unique au modèle complet, est généralement connu sous le nom de pipeline de numérisation 3D.
Technologies avec contact
Les scanners 3D avec contact fonctionnent en sondant physiquement la pièce et en enregistrant la position du capteur lorsque la sonde se déplace autour de la pièce. Il existe deux principaux types de scanners 3D avec contact : les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) et les bras articulés.
Les machines à mesurer tridimensionnelles ont traditionnellement trois axes mobiles perpendiculaires avec une sonde de contact montée sur l'axe Z. Lorsque la sonde de contact se déplace autour de la pièce, des capteurs sur chaque axe enregistrent la position pour générer des coordonnées XYZ. Les MMT modernes sont des systèmes à cinq axes, avec les deux axes supplémentaires fournis par des têtes de capteur pivotantes. Les MMT sont la forme de mesure 3D la plus précise, atteignant une précision au micron. Le plus grand avantage d'une MMT après la précision est qu'elle peut être utilisée en mode autonome (CNC) ou comme système de sondage manuel. Les inconvénients des MMT sont leur coût initial et les connaissances techniques requises pour les utiliser.
Les bras articulés ont généralement plusieurs segments avec des capteurs polaires sur chaque articulation. Lorsque le bras articulé se déplace autour de la pièce, les capteurs enregistrent leur position, et l'emplacement de l'extrémité du bras est calculé à l'aide de calculs complexes et de l'angle de rotation du poignet et de l'angle de charnière de chaque articulation. Bien que généralement moins précis que les MMT, les bras articulés atteignent néanmoins une haute précision et sont moins chers et légèrement plus faciles à utiliser. Ils n'ont généralement pas d'options CNC. Les MMT modernes et les bras articulés peuvent également être équipés de scanners laser sans contact à la place des sondes de contact.
Technologies actives sans contact
Les scanners actifs émettent un certain type de rayonnement ou de lumière et détectent sa réflexion ou le rayonnement traversant l'objet afin de sonder un objet ou un environnement. Les types d'émissions possibles incluent la lumière, les ultrasons ou les rayons X.
Temps de vol
Le scanner laser 3D à temps de vol est un scanner actif qui utilise la lumière laser pour sonder le sujet. Au cœur de ce type de scanner se trouve un télémètre laser à temps de vol, qui trouve la distance d'une surface en chronométrant le temps aller-retour d'une impulsion de lumière. Un laser émet une impulsion de lumière, et le temps avant que la lumière réfléchie ne soit vue par un détecteur est mesuré. Étant donné que la vitesse de la lumière c est connue, le temps aller-retour détermine la distance parcourue par la lumière, qui est le double de la distance entre le scanner et la surface. Si t est le temps aller-retour, alors la distance est égale à c⋅t/2. La précision d'un scanner laser 3D à temps de vol dépend de la précision avec laquelle le temps t peut être mesuré : 3,3 picosecondes (environ) est le temps pris par la lumière pour parcourir 1 millimètre.
Le télémètre laser ne détecte que la distance d'un point dans sa direction de visée. Ainsi, le scanner balaie tout son champ de vision un point à la fois en modifiant la direction de visée du télémètre pour scanner différents points. La direction de visée peut être modifiée soit en faisant pivoter le télémètre lui-même, soit en utilisant un système de miroirs rotatifs. Cette dernière méthode est couramment utilisée car les miroirs sont beaucoup plus légers et peuvent donc être tournés plus rapidement et avec une plus grande précision. Les scanners laser 3D à temps de vol typiques peuvent mesurer la distance de 10 000 à 100 000 points par seconde. Les dispositifs à temps de vol sont également disponibles dans une configuration 2D, appelée caméra à temps de vol.
Triangulation
Les scanners laser 3D basés sur la triangulation sont également des scanners actifs qui utilisent la lumière laser pour sonder l'environnement. Contrairement aux scanners à temps de vol, le laser de triangulation éclaire le sujet avec un laser et utilise une caméra pour rechercher l'emplacement du point laser. Selon la distance à laquelle le laser frappe une surface, le point laser apparaît à différents endroits dans le champ de vision de la caméra. Cette technique est appelée triangulation car le point laser, la caméra et l'émetteur laser forment un triangle. La longueur d'un côté du triangle (la distance entre la caméra et l'émetteur laser) est connue, et l'angle de l'émetteur laser et l'angle de la caméra sont connus, donc la distance au sujet peut être calculée. Les scanners à triangulation sont généralement plus précis que les scanners à temps de vol mais ont une portée plus courte.
Lumière structurée
Les scanners 3D à lumière structurée projettent un motif de lumière (comme des grilles ou des rayures) sur le sujet et utilisent des caméras pour mesurer la déformation du motif. La distorsion du motif est analysée pour calculer la forme de la surface. Cette méthode peut capturer une grande zone en une seule prise et est souvent utilisée pour scanner des objets à courte distance, comme dans le design industriel et la numérisation d'artefacts culturels. Les scanners à lumière structurée peuvent également mieux gérer certaines surfaces difficiles que la simple triangulation laser, bien qu'ils puissent encore rencontrer des difficultés avec les matériaux hautement réfléchissants ou transparents.
LiDAR et caméras à temps de vol
Le LiDAR (Light Detection and Ranging) est une méthode de télédétection qui utilise des impulsions laser pour mesurer les distances à la surface de la Terre ou à d'autres objets. Il est largement utilisé dans des applications telles que les véhicules autonomes, la cartographie robotique et les levés topographiques. Les caméras à temps de vol sont une version matricielle 2D des scanners à temps de vol, capturant des informations de profondeur pour chaque pixel d'une scène simultanément, ce qui est utile pour des applications en temps réel comme la reconnaissance gestuelle et la réalité augmentée.
Technologies passives sans contact
Les scanners passifs n'émettent aucun rayonnement mais reposent plutôt sur la détection du rayonnement ambiant réfléchi. La plupart des scanners passifs détectent la lumière visible, qui est facilement disponible. Les techniques passives incluent la photogrammétrie, qui utilise plusieurs photographies prises sous différents angles pour reconstruire un modèle 3D via des algorithmes de vision par ordinateur. Cette approche est souvent utilisée dans la préservation du patrimoine culturel et la reconstruction basée sur Machine learning. D'autres méthodes passives incluent les techniques basées sur les silhouettes et la forme par ombrage, bien que celles-ci soient moins courantes dans les applications industrielles.
Applications
Les données 3D collectées lors de la numérisation sont utiles pour une grande variété d'applications. L'industrie du divertissement utilise largement la numérisation 3D dans la production de films et de jeux vidéo, y compris les environnements de réalité virtuelle. Dans Artificial intelligence et la robotique, la numérisation 3D soutient la cartographie et la navigation robotiques, permettant aux systèmes autonomes de comprendre leur environnement. Le design industriel repose sur la numérisation pour l'ingénierie inverse et le prototypage, permettant aux ingénieurs de créer des modèles numériques de pièces existantes. Dans le domaine de la santé, la numérisation est utilisée pour l'orthétique et la prothétique, fournissant des dispositifs sur mesure. Le contrôle qualité et l'inspection utilisent la numérisation pour vérifier que les pièces manufacturées répondent aux spécifications. De plus, la numérisation d'artefacts culturels permet aux musées et aux chercheurs de préserver et de partager des objets historiques sous forme numérique.
Défis et limites
Malgré les progrès, la numérisation 3D fait encore face à des défis. Les technologies optiques peuvent avoir des difficultés avec les objets sombres, brillants, réfléchissants ou transparents, car ces surfaces peuvent disperser ou absorber la lumière de manière imprévisible. La numérisation de grands environnements peut être chronophage et nécessiter un traitement de données important. Le recalage de plusieurs scans peut introduire des erreurs s'il n'est pas effectué avec précision. Le coût des scanners de haute précision, tels que les MMT, reste un obstacle pour certains utilisateurs. Cependant, des recherches en cours dans Deep learning et des méthodes Neural network améliorent la précision de la reconstruction et automatisent des parties du pipeline de numérisation.
Voir aussi
- ReCoRD
- Wikipedia
- Generative AI
- Google DeepMind
- Intel
- Qualcomm
- Amazon Web Services
- Microsoft Azure
- Google Cloud
- Oracle Cloud Infrastructure
- Xerox PARC
- MIT CSAIL
- Stanford AI Lab
- Carnegie Mellon University
- BAIR (Berkeley AI Research)
- University of Oxford
- Waymo
- Tesla
- Intuitive Surgical
- TomTom