Written by Benoît Rogez
Date : 2008-09-23 19:31:59
DAVID-Laserscanner est un logiciel permettant de scanner des objets en 3D en
utilisant une ligne laser et une simple webcam. S'il n'a pas forcément
la précision des solutions "pro", il a un avantage énorme : son prix !
En effet, une version gratuite est disponible ; une autre, payante
(200€), propose plus de fonctionnalités.
Comment fonctionne le logiciel ?
Pour scanner un objet, DAVID utilise un coin (deux plans à angle droit). Si l'on place un objet devant ce coin, et que l'on projette sur lui une ligne laser, celle-ci va être déformée, épousant les reliefs. C'est cette déformation que DAVID capte via la webcam et analyse. Si l'on balaie tout l'objet, et que l'on fait plusieurs passes pour scanner toutes les faces de celui-ci, on peut ensuite entièrement le reconstruire en 3D.
Les résultats que l'on peut obtenir sont assez bluffants, comme le montrent les deux essais de l'image suivante.
A gauche : coquillage - longueur réelle 7 cm. A droite : fossile de Trilobite avec shader de normal map - taille réelle 8x5,5 cm
Le matériel nécessaire
Le strict minimum est composé de trois éléments : un laser ligne, une webcam et un "coin", comme sur le logo en haut de la page.
La ligne laser, un simple niveau laser que l'on peut trouver dans un magasin de bricolage peut suffire. Toutefois, pour plus de précision, mieux vaut prendre une ligne laser disposant d'un système de mise au point (focus) ; en faisant la mise au point sur l'objet, on a une ligne plus fine, ce qui améliore le scan.
A noter aussi, la couleur du laser influe sur le résultat : la plupart des webcams couleur captent mieux la lumière des lasers verts ... Mais leur prix est souvent plus élevé. Enfin, pas besoin d'avoir un laser surpuissant, pour des objets proches c'est généralement inutile. Un laser de faible puissance aura aussi l'avantage de pouvoir être utilisé pour scanner des visages humains (en gardant les yeux fermés, par sécurité).Pour trouver un laser, la solution la plus simple est de faire son choix parmi les lasers proposés dans la boutique DAVID .
A titre indicatif, les modèles 3D présentés ici, à l'exception de l'ange de la fin de l'article, ont été scannés avec un laser rouge LC650-5-5-F(14x45)-NT, qui dispose d'une mise au point. Il est fourni avec un adaptateur secteur (ce n'est pas le cas de tous).
Pour les petits budgets, un laser sans mise au point est disponible à 20€ ; il a une finesse optimale à 1m de distance de l'objet.
Les niveaux laser de bricolage sont parfois encore moins chers.
La webcam, elle, doit avoir de bonnes qualités de captures en basse luminosité, et si possible des paramètres ajustables (luminosité, exposition, etc). Nous verrons plus tard en quoi ils sont utiles.
La résolution n'a pas besoin d'être énorme : une image en 800x600 est plus que suffisante dans la plupart des cas. Bien noter que précision et résolution sont deux choses différentes : la qualité n'est pas proportionnelle au nombre de pixels.
Une webcam ayant un bon comportement dans l'obscurité (peu de bruit) et avec une lentille en verre sera un bon choix.
Le forum du site officiel donne des indications de webcams testées et approuvées. En ce qui me concerne, j'utilise une Hercule Deluxe Optical Glass, qui ne coûte que 20 euros.
Le coin / Angle nécessaire à DAVID pour scanner l'objet peut être à peu près n'importe quoi, de deux planches de bois aux coins d'une pièce. Seule contrainte, il faut que l'angle soit de 90° exactement, et bien entendu que les plans soient... plans. Selon que vous ayez ou non l'âme d'un bricoleur, vous pourrez comme certains utilisateurs construire vous-même votre coin afin d'obtenir une précision optimale, ou utiliser l'existant : un simple tiroir peut tout à fait convenir.
Quelque soit votre choix, une équerre est plus que conseillée pour vérifier l'angle.
Au final, le budget commence à 30 euros pour le matériel. De quoi tester le logiciel à moindre coût, pour ensuite, éventuellement, investir davantage.
A noter aussi, DAVID est prévu uniquement pour Windows.
Mise en pratique
Concrètement, l'utilisation de DAVID débute par la calibration de la webcam, afin de mesurer et compenser les déformations causées par la lentille de l'objectif. Il faut aussi que le logiciel détermine comment sont placés les plans.
La calibration
Pour que le logiciel puisse acquérir ces informations, un motif fourni doit être imprimé sur papier et placé sur le coin. Le plus simple est de scotcher le papier, en veillant à ce qu'il ne gondole pas. Le bristol semble un bon choix, étant à la fois lisse et rigide, mais du papier classique peut tout à fait convenir.
La calibration peut se faire de façon 100% automatique ou avec l'aide d'un outil gomme (qui permet d'éliminer de l'image capturée les éventuelles zones d'ombres, les bords des feuilles, etc) si la méthode automatique ne fonctionne pas du premier coup. Un mode manuel est possible mais déconseillé.
Point intéressant, à ce stade on peut aussi choisir d'importer un fichier vidéo au lieu d'utiliser la webcam. Ceci sera utile à la fois aux possesseurs de caméras performantes qui auront enregistré le balayage de l'objet auparavant, et à ceux qui voudraient tester le logiciel sans laser : des fichiers vidéo sont disponibles sur le site.
Acquisition des données
Après la calibration, le coeur du processus commence.
L'acquisition se fait en plusieurs passes successives. L'objet est placé devant le coin et dans l'obscurité : travailler dans une pièce aussi sombre que possible améliore les résultats. Si la luminosité ambiante ne peut être maîtrisée, il faudra utiliser une ligne laser plus puissante et réduire l'exposition de la caméra pour compenser. Jouer sur les différents paramètres de la webcam est en fait souvent une bonne méthode pour améliorer les résultats.
On peut ensuite lancer la capture, puis on balaie l'objet avec le laser à vitesse régulière et pas trop rapide. Le résultat est affiché en temps réel à l'écran, un système de dégradé de couleurs permettant de mieux visualiser les reliefs. Il y a très souvent des trous et des bandes horizontales sur l'image : ce n'est pas anormal et ne pose pas de problème tant que les trous restent de taille raisonnable. Ralentir la vitesse de balayage est souvent la solution dans le cas contraire. Certaines zones restent aussi forcément sans données en raisons d'ombres portées : selon la complexité de l'objet, le nombre de passes nécessaires est donc variable.
Petite précision concernant le balayage, il est tout à fait possible d'obtenir de bons résultats en le faisant à la main, mais un système plus poussé rendra l'opération plus confortable. J'utilise un trépied photo, ce qui permet de garder le laser bien vertical au-dessus de la webcam et ainsi d'éviter certains artefacts. D'autres utilisent des sytèmes fait maison, ou encore de véritables systèmes motorisés, qui balaient à vitesse constante.
En analysant la déformation de la ligne laser et en prenant comme référence les parties non déformées à gauche et droite de l'image, DAVID détermine le relief de l'objet.
Une fois le balayage fini, on met en pause l'acquisition. Il est possible de prévisualiser le résultat en 3D, et donc de savoir si tout s'est bien passé. Différents filtres de postprocessing (interpolation, médiane, moyenne) permettent d'améliorer le résultat brut.
On peut ensuite enregistrer directement le résultat au format .obj ou bien le transférer dans l'outil de fusion. Le logiciel propose alors aussi de faire une sauvegarde en même temps, ce que j'aurais tendance à conseiller : on n'est jamais à l'abri d'un plantage du PC après avoir fait 5 balayages sous des angles différents...
Entre chaque passe, il suffit de tourner l'objet sans toucher au coin, de remettre à zéro les données acquises et de faire une nouvelle capture. La caméra n'a pas besoin d'être recalibrée pourvu que l'on ne bouge pas le coin.
Une option permet d'effectuer une capture de l'image de la webcam avant les passes, afin d'obtenir au final un objet texturé. Une webcam de bonne qualité est alors conseillée.
Fusion des données
La version gratuite permet uniquement l'enregistrement des passes, pas du résultat de la fusion. On peut néanmoins utiliser d'autres logiciels pour créer le modèle final. Meshlab, un outil open source et gratuit justement destiné à visualiser et manipuler des meshes de grande taille, est un bon choix. L'assemblage est ici manuel, avec des résultats plutôt intéressants même si le processus est relativement long.
Pour ceux qui auront acheté la license à 200€, DAVID permet un assemblage manuel et surtout une fusion semi automatique : les passes effectuées auparavant sont affichées dans une fenêtre 3D, et l'utilisateur va successivement sélectionner une passe de référence et une autre qui sera déplacée par DAVID pour les assembler. L'ergonomie de l'ensemble est satisfaisante même si elle pourrait probablement être améliorée. J'ai aussi eu plusieurs fois un bug visuel assez gênant : les scans disparaissaient sans prévenir... Heureusement, la sauvegarde fonctionnait toujours. Le problème est connu des développeurs qui essaient de le résoudre.
La méthode manuelle sert surtout pour certains modèles problématiques ou les scans de mauvaise qualité. L'algorithme de l'assemblage automatique étant en partie basé sur de l'aléatoire, plusieurs essais peuvent être nécessaires avant de parvenir à un bon assemblage.
Divers outils dans la fenêtre 3D sont disponibles, dont un outil de sélection qui permet de supprimer certaines zones comme les artefacts et le support de l'objet que l'on a scanné.
La fusion peut se faire selon deux algorithmes, simple ou poisson. Poisson a l'avantage d'être plus automatique (un seul paramètre à régler) et de donner des modèles "watertight", autrement dit étanches, sans trou : les amateurs d'impression 3D apprécieront. En règle générale, l'algorithme poisson donne de meilleurs résultats, et traite mieux le bruit et les scans mal alignés. Cependant, à nombre de polygones égal il floute un peu plus les détails fins que la méthode simple ; il crée aussi parfois des artefacts rédhibitoires sur les scans de mauvaise qualité. Dans ce cas, monter en résolution ou nettoyer les meshes permet quasiment toujours de régler le problème, mais il faut plusieurs tentatives.
Ici, tout est affaire de pratique, d'habitude et d'essais.
Une fois un résultat satisfaisant obtenu, l'enregistrement se fait en obj, ply ou stl.
A noter, un paramètre de résolution permet de déterminer le niveau de détail voulu pour la fusion, et donc la taille de l'objet final. Il est aussi possible d'ouvrir des fichiers obj issus d'une session de scan précédente, ce qui permet de scanner un objet en plusieurs fois ou de séparer dans le temps scan et fusion.
Une coloquinte face à sa version numérisée
Bilan : points forts et limites
DAVID est un logiciel atypique a plus d'un titre. En permettant à un large public de s'initier à la capture d'objets 3D, il fait figure d'OVNI face aux solutions professionnelles, dont le prix est 10 ou 100 fois plus élevé.
Tout objet ne peut pas être scanné : inutile d'espérer numériser directement un objet transparent ; les objets réfléchissants poseront aussi problème. On peut néanmoins contourner ces obstacles, par exemple en utilisant de la poudre de craie ou du talc. En définitive, les capacités restent vraiment surprenantes malgré ces limites, et lorsque l'on voit les résultats obtenus par certains membre du forum officiel, on reste bouche bée : visages humains, sculptures scannées en haute résolution, utilisation en archéologie...
Le forum, justement, est assez actif. Même si le nombre de membres est assez réduit - une dizaine de personnes seulement a posté plus de 50 messages -, il donne le sentiment d'une communauté plus agréable que d'autres forums où l'on se sent perdu dans la masse. L'équipe de développement est présente et le suivi semble plutôt bon, qu'il s'agisse de notifications de bugs ou de demandes d'améliorations pour les versions futures : on peut rapidement savoir si telle ou telle idée sera retenue ou étudiée. Les membres échangent aussi beaucoup et le nouveau venu trouvera facilement des réponses à ses questions, si le manuel du wiki - une version française existe ! - ne suffit pas. De nombreux sujets traitent aussi des améliorations du processus de numérisation : conception d'un repère de qualité, balayage manuel optimisé ou entièrement motorisé pour le laser, utilisation de miroirs, les idées fusent et les bricoleurs pourront améliorer leur installation à peu de frais.
C'est d'ailleurs à la fois le gros point fort et le point faible de DAVID : sans kit clés en main, la solution est accessible à tous, mais ceux qui rechignent à l'idée d'une période d'essais et d'erreurs seront frustrés. A matériel égal, la méthode employée donnera des résultats très différents. Mais encore une fois, le forum est là pour aider à progresser, et finalement on peut passer facilement d'une bouillie de polygones à un scan de qualité.
Avantages : - des capacités impressionnantes - existence d'une version gratuite - logiciel et wiki en Français, mine d'informations sur le forum - grosse marge de progression possible, même avec un matériel basique.
Inconvénients : - peut rebuter ceux qui veulent une solution toute prête - fusion parfois difficile - temps de numérisation sensiblement plus élevé que sur des solutions "pro" - ambiance sombre nécessaire, à moins d'utiliser un laser puissant et de diminuer l'expositon via les paramètres de la caméra - Windows uniquement
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