Terminologie et Notions de base sur la 3D

Types de données 3D

Nuage de points

La sortie initiale et commune des scanners laser ou des caméras 3D est un nuage de points (Figure 1-1). Ces points sont considérés comme des échantillons de la surface de l’objet et sont arrangés sous formes de système de coordonnées en des triplets (X, Y, Z) avec Z représentant la profondeur. Ce nuage est souvent transformé, pour une meilleure visualisation, en un maillage polygonal avec une reconstruction surfacique. Selon le type du capteur, le nuage de points peut être organisé (structuré) ou désorganisé (non structuré). Figure 1-1. N┌;ｪW SW ヮﾗｷﾐデ Sげ┌ﾐ ﾏﾗSXﾉW ンD SW ┗ﾗｷデ┌ヴW 1.1.2 Image de profondeurs Une image de profondeur (range image) ou image 2.5D est une image en niveau de gris dans laquelle l’intensité est inversement proportionnelle à la distance des points de la scène vue sous un seul angle. Les techniques de mesure de profondeurs (distances) sont multiples. Nous citons à titre d’exemple, le scanner par temps de vol qui utilise un faisceau laser pour sonder la profondeur. Au cœur de ce type de scanner se trouve un télémètre laser permettant de calculer la distance à la surface de l’objet étudié en mesurant le temps nécessaire au trajet d’aller-retour de l’impulsion du faisceau laser réfléchi. Puisque la vitesse de la lumière est connue, le temps de retour permet de déterminer la distance nologie et Notions de base sur la 3D SHAIEK Ayet Page 28 parcourue par la lumière, qui est deux fois la distance entre le scanner et la surface de l’objet. Évidemment, l’exactitude du scanner par temps de vol dépend de la précision de la mesure du temps de retour. La technologie capteur de profondeur 3D (3D depth sensor) à base de caméra infrarouge est un autre exemple et elle permet d’obtenir une image représentant les dégagements thermiques émis par l’objet observé. Le fonctionnement est similaire à celui d’une caméra RGB sauf qu’uniquement les rayons infrarouges sont émis et filtrés. La scène est bombardée par les rayons infrarouges non visibles à l’œil. Une partie de ces rayonnements sera retournée par l’ensemble des objets de la scène. Plus l’objet est loin et plus la quantité de rayonnement infrarouge réfléchie est faible. Ainsi, la caméra infrarouge mesure la distance de l’objet en fonction de l’intensité. Des niveaux de couleurs peuvent être rajoutés en fonction de la température mesurée. La Kinect est une caméra 3D qui comporte une source de lumière infrarouge « structurée », une caméra infrarouge et une caméra couleur (Figure 1-2). Figure 1-2. Lげｷﾏ;ｪW RGB Sげ┌ﾐW ゲIXﾐW ヴYWﾉﾉW ふ< gauche) et l’image recueillie par la caméra 3D Kinect (à droite) Une autre façon d’obtenir des images de profondeur est de générer à partir d’un modèle 3D complet un ensemble de projections 2.5D correspondant à différents angles de vue. Dans une approche d’indexation, Zaharia et Prêteux (Zaharia, et al., 2002) définissent une boîte cubique de projection sur laquelle les images de profondeur sont calculées. De même, Chaouch et Verroust-Blondet (Chaouch, et al., 2007) projettent les modèles γD sur les directions normales associées aux vingt sommets d’un dodécaèdre régulier (Figure 1-3). a – bFigure 1-3. -a- Six images de profondeur associées aux six faces de la boîte de projection (Zaharia, et al., 2002) ; -b- les 20 angles de vues associés aux sommets du dodécaèdre (Chaouch, et al., 2007) Nous mentionnons également la technique utilisant la stéréoscopie qui permet, à partir de deux images 2D, de produire une perception du relief. Les systèmes stéréoscopiques utilisent généralement deux caméras vidéo, situées côte à côte et visant la même scène. Un système de caméra stéréo peut  être utilisé pour déterminer, avec plus ou moins d’approximation, la profondeur des points dans la scène, par exemple à partir du point central sur la ligne située entre les deux foyers. Pour mesurer la profondeur à l’aide d’un système stéréo, il est nécessaire, d’abord, de trouver les points qui s’apparient dans les différentes images. La résolution de la problématique d’appariement est l’un des principaux problèmes de cette technique (régions d’intensité ou couleur homogène), en plus du coût des capteurs (multiplié par 2), et surtout de la critique étape de calibration de la paire stéréo. 

Données polygonales

Pour des raisons de visualisation en temps réel de modèles tridimensionnels, les applications basées sur les graphiques et la vision par ordinateur utilisent des surfaces polygonales (polyédriques). Généralement, à partir des images de profondeurs, l’information γD des points est convertie en des données 3D polygonales. Contrairement aux images de profondeurs qui donnent uniquement les points perçus sous l’angle de vue, les données polygonales peuvent représenter le modèle de l’objet complet. La combinaison des plusieurs images de profondeurs capturées sous différentes prises de vue permettent de construire un maillage polygonal du modèle complet. La représentation d’une surface 3D par une subdivision en un ensemble de polygones s’appelle maillage. Un maillage comporte des sommets connectés les uns aux autres par des faces ou facettes de forme polygonale. Parmi les types de maillages les plus courants, nous mentionnons la triangulation ou maillage triangulaire (trimesh) qui désigne un maillage où les facettes sont des triangles. On parle aussi des maillages volumiques lorsque les sommets sont reliés par des tétraèdres. Pour des représentations de haute complexité, il est possible de représenter le modèle avec des niveaux de détail plus ou moins fins selon les besoins de l’utilisateur et le type d’application. L’utilisation de méthodes de simplification géométrique permet de réduire la complexité des objets pour en produire des versions simplifiées à partir de leurs descriptions originales (Figure 1-4). Par exemple, une zone avec une faible courbure (ex. zone plane) peut être représentée avec peu de sommets. Cependant, selon la technique d’acquisition, cette zone peut contenir beaucoup de points 3D redondants. Dans ce cas, une décimation est appliquée sur le maillage polygonal. Les zones à faible valeur de courbure sont sous-échantillonnées.