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Photogrammétrie 3D : l'art de transformer des photographies en modèles 3D

Découvrez comment des appareils photo EOS Canon sont utilisés pour créer des modèles 3D particulièrement réalistes pour les secteurs des jeux vidéo, des films, de la fabrication et de l'art.
Un technicien sur un escabeau ajuste l'un des nombreux éclairages positionnés en cercle avec des appareils photo autour d'une table élévatrice.

Le prestataire de services de numérisation 3D Sample & Hold se consacre à la photogrammétrie 3D pour les secteurs des arts et de la création. « Cela va de produits pour la publicité à des personnes pour les jeux vidéo, la télévision et le cinéma, en passant par les sculptures pour les artistes qui veulent des modèles et des maquettes en 3D avant de produire des versions plus grandes à l'aide d'une imprimante 3D ou d'une machine à commande numérique, sur lesquelles ils appliqueront ensuite une couche d'argile », énumère Sam Jackson, co-fondateur de Sample & Hold.

La photogrammétrie 3D consiste à reproduire un objet physique pour en faire un modèle 3D précis. Elle peut servir à capturer toutes sortes de sujets, des personnes aux reliques historiques, en passant par les aéronefs, les bâtiments et même des structures plus grandes.

« Il s'agit d'un excellent moyen de rendre un objet tangible et immersif, afin de pouvoir l'examiner sous tous les angles et en observer la texture », s'enthousiasme John Maurice, directeur marketing produit chez Canon Europe. « Il est également possible de le faire avec un rendu généré par ordinateur, mais ce n'est pas la même chose, car on n'obtient jamais toutes les nuances permises par la photogrammétrie. »

Les applications de la photogrammétrie numérique et de la modélisation 3D sont infinies, cette technique étant employée comme solution dans les secteurs de la fabrication, l'ingénierie, le design, le divertissement et la santé. « La création de modèles 3D d'un patient peut faciliter le diagnostic et le suivi du traitement », explique John. « Par ailleurs, dans l'industrie, la maîtrise de la modélisation 3D raccourcit la phase coûteuse de prototypage. »
Une vue générale d'un grand nombre d'éclairages et d'appareils photo positionnés en cercle autour d'une table élévatrice.

Sur son rig de photogrammétrie de tout le corps, Sample & Hold utilise 154 appareils photo. « La beauté de cette méthode consiste à tout capturer en un instant avec des flashes », se réjouit Sam. « Ainsi, il est possible de prendre en photo des personnes et d'autres sujets animés qui bougent pendant le processus. »

Un homme vêtu d'un t-shirt et d'un pantalon se tient debout sur une table élévatrice, au milieu d'un cercle d'éclairages et d'appareils photo.

Une table élévatrice est utilisée pour ajuster la hauteur des personnes au centre de l'assemblage d'appareils photo pour la photogrammétrie du corps complet. « Nous avons un système redondant intégré », explique Sam. « Il est conçu pour prendre des images d'une personne d'environ deux mètres, par conséquent, nous élevons les sujets de plus petite taille afin que leur tête soit dans la bonne zone de capture et les appareils photo du bas ne sont pas utilisés. »

La photogrammétrie 3D est un domaine hautement spécialisé nécessitant un processus particulièrement méticuleux. « Il faut prendre un grand nombre de photos du sujet, qui se chevauchent généralement sur les deux tiers afin de créer le plan 3D », précise John. « Par conséquent, si vous utilisez un seul appareil photo pour capturer ces clichés, il faudra le déplacer légèrement, mais avec une grande précision pour obtenir ce chevauchement. »
C'est pour cette raison que les entreprises de photogrammétrie 3D utilisent généralement des rigs supportant plusieurs appareils photo. Ces appareils photo sont positionnés de façon à capturer le sujet sous tous les angles en une seule fois. Toutes les images sont ensuite traitées dans un logiciel spécialisé qui analyse leur chevauchement et en tire la géométrie 3D.

À la pointe de la numérisation 3D, l'entreprise Sample & Hold utilise ainsi deux rigs : le premier pour le corps, l'autre pour la tête. « Notre rig dédié au corps comporte 154 appareils photo », précise Sam Jackson, l'un des fondateurs de la société. « Ce n'est pas un rig énorme, mais il y a quand même un nombre significatif d'appareils photo. Ils forment un cercle complet autour de la personne et se déclenchent simultanément. Nous obtenons ainsi une grande quantité d'images de ce moment précis dans le temps, que nous pouvons ensuite charger dans le logiciel Reality Capture. Celui-ci tire toutes les informations de ces images, trouve autant de points identiques que possible dans chaque photo et crée à partir de là un modèle à 360°. »
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Quelques rigs d'éclairages et assemblages d'appareils photo dans un studio de photogrammétrie 3D.

« Nous concevons nos propres unités d'éclairage, car il n'existe aucune solution prête à l'emploi vraiment adaptée », souligne Nick Foots, d'Esper, qui fournit des installations de numérisation 3D et à plusieurs appareils photo. « Il peut s'agir d'un éclairage polarisé ou non, afin de pouvoir extraire différents niveaux de détails de la surface. » Parfois la lumière ne suffit pas, ajoute Sam Jackson de Sample & Hold, qui utilise des équipements d'Esper sur ses propres rigs (illustrés ici). « Si le sujet ne présente qu'un seul plan ou une seule surface d'une couleur uniforme, la photogrammétrie ne fonctionne pas vraiment si l'on ne projette pas un motif dessus pour le faire ressortir », analyse-t-il.

Un technicien ajuste l'un des appareils photo Canon sur un grand assemblage d'appareils.

Les assemblages de plusieurs appareils de Sample & Hold permettent à cette société de capturer toutes sortes d'objets, des plus petits, comme une pièce de monnaie, aux plus grands, comme un carré de trois mètres.

Quel est le meilleur appareil photo pour la photogrammétrie 3D ?

Le prix constitue une priorité quand il faut équiper un rig de photogrammétrie 3D avec plus de 100 boîtiers. « Les reflex d'entrée de gamme sont adaptés à ce type de tâches », répond John. « Il faut aussi des objectifs abordables. Les objectifs 50mm sont populaires, car ils sont bon marché et de bonne qualité. »
Pour la photogrammétrie 3D, les appareils photo EOS Canon présentent notamment l'avantage de prendre en charge une panoplie étendue de systèmes. « Il existe toute une gamme de produits à des prix différents », ajoute John. « Si vous avez besoin d'accessoires, comme des adaptateurs secteur, nous pouvons vous les fournir. Et nous proposons aussi le kit de développement logiciel (SDK) de Canon, qui permet d'ouvrir le matériel photographique Canon à des technologies tierces, afin de pouvoir l'intégrer dans un flux de travail spécialisé. Ensuite, au moment de la mise à niveau des appareils photo, il suffit de mettre aussi à niveau le SDK de façon à ce qu'il prenne en charge les nouveaux produits, sans avoir à perturber le flux de travail. »

Sam explique que la photogrammétrie 3D ne nécessite pas les fonctionnalités haut de gamme réservées aux appareils photo professionnels. « Nous utilisons actuellement les modèles Canon EOS 2000D et Canon EOS M6 Mark II d'entrée de gamme », révèle-t-il. « L'EOS 2000D dispose d'un capteur de 24 millions de pixels qui offre un bon rapport qualité/prix. Même chose avec l'EOS M6 Mark II, qui est quant à lui équipé d'un capteur de 32,5 millions de pixels. En fait, nous étions un peu dans l'expérimentation avec cet appareil photo, car nous n'avions encore jamais utilisé d'appareil hybride. Aujourd'hui, nous envisageons d'équiper tous nos rigs avec des EOS M6 Mark II, car ce sont d'excellents appareils photo.
Dans un studio, un appareil photo Canon EOS est installé sur un trépied face à une table en verre sur laquelle est posée une basket. Un homme regarde l'image d'une chaussure dans un logiciel sur son écran.

Le SDK EOS Digital de Canon en détail

Découvrez comment le kit de développement logiciel de Canon peut décupler les possibilités de prise de vue à distance des appareils photo EOS et PowerShot.
L'une des raisons pour lesquelles nous ne sommes pas passés au plein format est que la profondeur de champ est supérieure avec des appareils photo APS-C. Or ce point est vraiment essentiel pour le traitement des données. »
Gros-plan d'un appareil photo Canon EOS 1300D sur un rig dans un studio de photogrammétrie 3D.

En plus des appareils photo Canon EOS 2000D et EOS M6 Mark II, les assemblages d'appareils photo de Sample & Hold associent également des modèles plus anciens qui étaient utilisés sur les premiers rigs (comme les appareils Canon EOS 100D et EOS 1300D) pour certaines applications, par exemple pour capturer l'arrière de la tête d'un sujet.

Un technicien travaille sur un ordinateur portable tandis qu'un homme se tient debout dans l'installation de photogrammétrie 3D en arrière-plan.

Le kit de développement logiciel (SDK) de Canon permet de contrôler à distance certains appareils photo Canon à l'aide de logiciels tiers. Un SDK de contrôle open source d'une autre marque que Canon fonctionnant sous Linux est également disponible, souligne John.

Sur son rig dédié au corps, Sample & Hold combine des objectifs 100mm, 85mm et 50mm tels que les modèles Canon EF 85mm f/1.8 USM et Canon EF 50mm f/1.8 STM, les longueurs focales plus élevées étant utilisées pour capturer les zones importantes, comme les mains et les pieds. Le rig dédié à la tête associe des objectifs 40mm et 50mm, tel que le Canon EF 40mm f/2.8 STM.

« Nous garderons toujours des objectifs à focale fixe, affirme Sam, notamment parce qu'il n'y a pas de risque qu'ils se dérèglent, même lorsque nous déplaçons le rig.

Les appareils photo d'entrée de gamme ne sont pas conçus pour ce que nous en faisons, c'est pourquoi les délais d'obturation peuvent poser problème. Pour l'éviter, nous utilisons des flashes pour contrôler l'exposition. Nous travaillons dans une chambre noire avec une vitesse d'obturation de 1/3 ou 1/5 s, et tous les flashes se déclenchent simultanément pour exposer les images. Nous commandons les appareils photo à l'aide du logiciel Smart Shooter et synchronisons le tout avec Esper TriggerBoxes. »
Un ordinateur portable avec un modèle 3D sur l'écran d'une silhouette debout, entourée de représentations d'appareils photo.

Les images capturées par l'ensemble des appareils photo sont rassemblées dans un logiciel spécialisé qui les agrège et construit un modèle 3D à partir de toutes les données.

Utiliser plusieurs appareils photo pour la photogrammétrie

Esper fournit des solutions de numérisation 3D et à plusieurs appareils photo aux prestataires de services dans les secteurs des jeux vidéo et des effets visuels, ainsi que la publicité, la recherche académique, les stands photo « bullet time » et bien plus encore. Selon son directeur Nick Foots, la principale considération à avoir au moment de la mise en place d'un système de photogrammétrie 3D est le résultat final.

« C'est la première question que je pose à tous mes clients pendant un entretien : quelle est l'utilisation finale ? Avec quelle résolution et quel format ? On peut ensuite remonter tout le flux de production à partir de là », explique Nick. « Ainsi, si un contenu va être utilisé uniquement pour du e-commerce sur le Web avec une résolution qui n'est pas particulièrement élevée, autant dire qu'il est inutile de recourir à 60 appareils photo.

« À l'inverse, pour un jeu vidéo 4K, il peut être nécessaire d'utiliser jusqu'à 160 appareils photo, et pour créer des modèles 3D miniatures de personnes avec une imprimante FDM, 30 à 50 appareils photo suffisent. En effet, aucune imprimante 3D ne pourra reproduire la résolution que vous obtiendriez avec un nombre plus important d'appareils photo.
Deux hommes assis à une table regardent l'écran d'un ordinateur portable où s'affichent des modèles 3D de silhouettes humaines.

Sam estime que la plus grande difficulté en matière de photogrammétrie consiste à capturer certains matériaux. « Prenons les baskets par exemple. Les baskets tendance sont souvent fabriquées à partir de nombreux matériaux, qui peuvent être noirs, brillants, transparents ou avec un effet pailleté, autant de caractéristiques qui posent problème d'un point de vue photographique. » En comparaison, un visage humain relève plutôt de la routine.

Pour un objet inerte de petite taille, il est généralement possible de le modéliser pour un moindre coût avec trois ou quatre appareils photo sur une arche, un éclairage contrôlé et un plateau tournant déplacé à la main », poursuit Nick. « Vous pouvez aussi parfaitement réussir votre photogrammétrie avec un seul appareil photo, à condition de bien vous demander si cette solution est adaptée au résultat que vous souhaitez obtenir et à la façon dont vous allez l'intégrer dans votre flux de travail global. »

Sam de Sample & Hold recommande d'ailleurs de s'essayer à cet art en commençant avec un seul appareil photo. « Tout le monde peut essayer la photogrammétrie sur le terrain, en utilisant la lumière du jour et un seul appareil photo », affirme-t-il. « Face à un sujet qui ne bouge et ne change pas, comme une maison, il n'est pas nécessaire d'utiliser plusieurs appareils photo, il suffit d'en utiliser un que l'on déplace.

Il y a de nombreux tutoriels sur YouTube qui expliquent comment s'y prendre », conclut Sam. « Ensuite, les images peuvent être traitées dans un outil comme Meshroom, qui est un logiciel Open Source gratuit, afin de produire des modèles 3D. Cette méthode permet d'obtenir de très bons résultats. »

Rédigé par Marcus Hawkins


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