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Le livrable : quelle est l'information utile?

Le délivrable est une notion essentielle lorsque l’on parle de numérisation 3D. Et la question sous-jacente l’est tout autant: de quoi ai-je besoin exactement? Est-ce qu’une technique de relevé moderne peut répondre à ce besoin? Et si oui, laquelle est la plus adaptée?

Le traitement de la donnée 3D

Les méthodes de captures de la réalité peuvent soutenir le diagnostic des bâtiments, non seulement pour collecter rapidement des données significatives liées à la géométrie, mais aussi pour fournir des informations sur les matériaux et les valeurs patrimoniales grâce aux énormes ensembles de données et d’images créées. Les techniques sont par nature non destructives et les perturbations causées dans les bâtiments occupés sont également réduites au minimum. Certaines approches, comme la photogrammétrie, peuvent même être utilisée avec un coût relativement faible. En fonction du type d’appareillage utilisé et de la distance typique de capture, différentes échelles d’étude peuvent être envisagées, du niveau matériel au niveau du site et même du quartier.

En fin de compte, les stratégies de capture de la réalité sont définies par le type de données à extraire, appelées “livrables” ou “délivrables”, et par leur utilisation finale prévue. En fait, deux étapes principales peuvent être identifiées dans un projet de numérisation en 3D : la création des fichiers 3D bruts (et d’autres ensembles de données parallèles) et le traitement de ces données brutes. La phase de traitement est la plus spécifique et sera toujours orientée vers le besoin du client! Ce client doit donc lui-même pouvoir exprimer ce dont il a besoin: documenter, mesurer, inspecter, fournir une expérience visuelle ou encore fabriquer. Chaque technique et schéma de traitement sera plus ou moins adapté à répondre à ce besoin. Le scanner laser, par exemple, est très précis au niveau de la mesure, mais généralement moins fidèle dans la reconstruction visuelle.

Parfois la donnée utile est un simple chiffre

"Le scanner laser, par exemple, est très précis au niveau de la mesure, mais généralement moins fidèle dans la reconstruction visuelle."

Dans cet article, une vue d’ensemble du potentiel de la numérisation pour les applications de rénovation est fournie, à travers des examples pratiques. Il est montré comment les données provenant de différentes sources se comparent et peuvent être combinées dans le cadre de diverses stratégies de valorisation, sans qu’il soit nécessaire de mettre en œuvre des modèles BIM.

Le processus de traitement des données pouvant devenir complexe et tortueux, quelques idées sur les schémas d’extraction automatisée des données sont également présentées.

Complex point cloud
Comment obtenir l'information utile depuis un modèle si complet (et complexe)?

De chantier au livrable

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CHOISIR ET COMBINER LES TECHNIQUES

Chaque technologie de numérisation dispose de caractéristiques propres:

  • Qualité de restitution
  • Vitesse de numérisation
  • Expertise nécessaire
  • Coût de l’opération
  • Coût de préparation
  • etc.

 

Ces différents paramètres doivent être mis en perspective avec le contexte de l’étude, et avec les objectifs poursuivis. Dans la construction, les technologies LIDAR (et le scanner laser en particulier) et la photogrammétrie restent les techniques les plus courantes. Si le type de fichiers générés y est semblable, la qualité des données (géométrique et texturale) peut grandement varier. Ci-dessous, quelques illustrations montrent ces variations. Souvent, la qualité le plus haute est atteinte en combinant données laser et images. Cela représente néanmoins un coût très important, à réserver aux études les plus pointues, dans le patrimoine par exemple.

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Trois techniques de numérisation comparées: A. Lasergrammétrie; B. Photogrammétrie sur base de photos; C. Photogrammétrie sur base de photos et de scans laser

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Les niveaux de traitement

À partir des données brutes collectées (c’est-à-dire les images, les scans laser et les métadonnées de la mission), la première étape du traitement consiste à créer des ressources 3D à haute résolution sous la forme de nuages de points ou de maillages. Ces fichiers peuvent être considérés commes des ‘livrables de niveau 1’. Ils sont généralement très lourds (parfois plusieurs dizaines de giga-octets) et leur manipulation nécessite non seulement un matériel adéquat, mais aussi des connaissances techniques spécifiques.
L’obtention d’actifs 3D est relativement simple lorsque le balayage laser terrestre est utilisé sur le site. La principale tâche du géomètre consiste à caler les différentes positions de scan les unes aux autres. Les possibilités en termes de reconstruction 3D brutes à l’aide d’un logiciel photogrammétrique sont plus vastes. En effet, les logiciels modernes de photogrammétrie permettent par exemple de combiner automatiquement des scans laser et des photos. 

point cloud register
Un fichier 3D brut, issu de l'ensemble des positions de scan

Le deuxième niveau de traitement est celui des ‘fichiers 3D optimisés’. Ce niveau s’atteint lorsque l’on dispose de fichier 3D nettoyés et améliorés. De tels fichiers 3D traités peuvent être considérés comme des livrables de ‘niveau 2’. Ces fichiers seraient déjà utiles pour dans de nombreuses études, mais restent destinés à des personnes familiarisées avec les technologies 3D. Pour les nuages de points, les étapes de traitement les plus élémentaires ont consisté à nettoyer, sous-échantillonner/rééchantillonner ou découper les ensembles de données. Ces actions n’ajoutent aucune information aux ensembles de données existants. Elles servent plutôt à rendre les fichiers 3D plus faciles à manipuler ou à se concentrer sur les zones d’intérêt. 

Un livrable plus avancé: le nuage de points a été nettoyé et découpé

Dans leur état de pleine résolution, les maillages 3D sont particulièrement difficiles à gérer pour la plupart des logiciels de visualisation. Des étapes de décimation ont été nécessaires pour les rendre plus largement exploitables. Le nombre de polygones a été réduit en fonction du logiciel cible identifié. Par exemple, les PDF 3D nécessitent des maillages avec un nombre extrêmement faible de polygones. Un aspect particulièrement utile de l’utilisation des maillages est la possibilité de reprojeter les informations de couleur à haute résolution sur des maillages à faible densité de polygones, comme le montre la section des résultats de la figure 5. Le fichier reste raisonnablement léger tout en conservant des informations visuelles intéressantes. Les étapes de décimation peuvent par exemple être réalisées dans Agisoft Metashape ou Reality Capture.

Mesh decimation
La géométrie d'un maillage 3D peut être simplifiée tout en gardant un rendu visuel optimal: c'est le processus de décimation

Dans une phase ultérieure, des livrables finaux peuvent être produits à partir des fichiers 3D optimisés. L’accent doit ici être mis sur la production de fichiers utilisables par un public plus large et facilement transférables. 

Plusieurs remarques peuvent être faites. Tout d’abord, les informations utiles pour le diagnostic et la rénovation peuvent être divisées en trois aspects principaux : (1) l’évaluation de la géométrie du bâtiment, de son environnement et de ses sous-parties, (2) l’identification/cartographie des matériaux, des composants et des systèmes et (3) l’évaluation/cartographie de l’état des entités identifiées. Les informations texturales sont donc loin d’être négligeables, voire cruciales pour les aspects 2 et 3. Comparer les technologies de numérisation 3D uniquement sur la base de leur précision géométrique ne couvrirait pas la totalité des exigences pertinentes. Deuxièmement, les images peuvent jouer un rôle clé dans les fichiers à transmettre à l’utilisateur final. En effet, grâce à leur universalité, ces livrables assurent une communication efficace entre les équipes de numérisation et les spécialistes de la rénovation, tant pour les informations géométriques que texturales (par exemple, les matériaux et les pathologies). Les images constituent également un support très répandu pour effectuer des analyses avancées telles que la segmentation et l’étiquetage, à l’aide d’un logiciel de traitement d’images. En particulier avec les orthovues, qui ajoutent de puissantes possibilités de quantification.

"Comparer les technologies de numérisation 3D uniquement sur la base de leur précision géométrique ne couvrirait pas la totalité des exigences pertinentes"

Utilisations finales et livrables adéquats

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Documenter

La numérisation 3D offre des possibilités de documentation très aisées et très complètes. Que l’on veuille documenter une paroi, un bâtiment depuis l’extérieur, ou même un quartier entier, l’utilisateur averti trouvera une technique adaptée. Dans les efforts de documentation, on cherche souvent autant l’information géométrique que visuelle, ce qui explique la force de la photogrammétrie pour répondre à ce type de mission. Car avec la photogrammétrie, on peut retranscrite visuellement chaque centimètre capturé en photo. Le photoréalisme offert permet de répondre rapidement aux besoin. Si la fidélité de mesurage est essentiel, alors on pourra même y combiner des mesures au scanner laser.

Les livrables liés à la documentation sont typiquement: des orthovues ou orthomosaïques (vues en plan, vue en élévation), des dessins CAO 2D ou 3D, ou des ‘visites virtuelles’ de différents types.

vue en plan
Une orthovue du nuage de points, coupé à hauteur de fenêtre, est superposée aux plans existants pour en vérifier la justesse

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Mesurer

La numérisation 3D regroupe avant tout des technologies de mesurage. C’est d’ailleurs dans le milieu des géomètres que ces dernières ont connu un véritable essor. Le mesurage est un besoin très fréquent dans la rénovation des bâtiment. On peut vouloir mesurer des distances, des surfaces ou encore des volumes. Parfois à un endroit localisé, parfois pour l’entièreté du bâtiment.

Justement, les techniques produisant des nuages de points permettent de récolter une quantité énorme d’information géométrique. Mais comment mesurer à un endroit précis? Ou du moins faciliter la lecture géométrique du modèle? Souvent, on devra traiter les données 3D brutes pour les faire “parler” le mieux possible. Un exemple? Les cartographies de planéité des façades de bâtiment. Ici, un code couleur est donné à chaque point du nuage de points. Selon la couleur, on pourra visualiser rapidement si le point se situe en avant ou en arrière par rapport au plan moyen de la façade. En un coup d’oeil, on peut donc diagnostiquer les défauts structuraux.

Un traitement du nuage de points mettant en évidence la planéité de la façade

Si travailler sur le nuage de points complet et trop lourd ou fastidieux, on pourra toujours le simplifier. La réalisation de coupe est ici un exemple de traitement courant permettant d’accéder plus rapidement à l’information voulue. Une “tranche” du nuage de points est créee, horizontalement ou verticalement, à l’endroit le plus judicieux.

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Création d'une "tranche" dans le nuage de points pour faciliter le mesurage.

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Inspecter

L’inspection est une opération régulièrement associée aux relevés numériques à haute définition. Il peut s’agir de diagnostiquer un bâtiment avant (ou après) rénovation, de contrôler son comportement thermique, ou encore de suivre le déroulement des travaux. L’idée d’inspection sous-entend généralement que l’on est dans la recherche de potentiels défauts ou pathologies. Cela reste tout de même une forme de documentation, et donc fortement lié à l’aspect ‘visuel’ des relevés 3D.

Selon les zones à inspecter, l’une ou l’autre technologie sera davantage pertinente. Le drone reste un allié de choix pour l’analyse extérieure des bâtiments, par sa capacité à prendre de la hauteur sur site. Il excelle donc pour l’inspection des toiture, un domaine clé dans la rénovation des bâtiments. A échelle plus petite, un simple appareil photo peut permettre de documenter les dégâts observés, via la photogrammétrie.

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Immerger

La 3D a un potentiel hautement immersif. Il est dommage de passer à côté de cet attrait tout particulier.

Il existe un ensemble de livrables qui sont spécifiquement destinés à offrir une expérience utilisateur immersive: visites virtuelles, serious gaming, réalité virtuelle, etc. Rendre un modèle 3D visuellement attractif tout en maintenant une certaine fluidité dans l’expérience peut en fait être un véritable défi! En effet, les moteurs de jeu vidéo, souvent à la source de tels développements, sont basés sur le principe du rendu en temps réel. Et c’est très exigent pour les ordinateurs. Développer des expériences visuelles signifie donc optimiser les modèles 3D pour les rendre plus légers, tout en conservant un maximum de détails.

Author

Samuel Dubois