La numérisation 3D
Définition de la numérisation 3D
La numérisation 3D représente l’activité visant à virtualiser une espace réel sous la forme de données numériques tridimensionnelles à des fins d’exploitation informatique.
Elle porte dans les pays anglophones le nom de “Reality Capture” que nous pouvons traduire par “Capture de la Réalité”.
La numérisation 3D repose essentiellement sur deux technologies complémentaires :
- Le LiDAR, qui mesure en temps réel la distance d’un point par l’envoi d’un faisceau laser,
- La photogrammétrie, produisant une reconstruction 3D reposant sur un post-traitement basé sur l’image, à la manière de la vision stéréoscopique du cerveau humain.
Les applications s'étendent de l’industrie au cinéma en passant, entre autres, par la médecine, la construction et l’archéologie. Les données 3D collectées démontrent leur intérêt en rétro -ingénierie, reconstruction à des fins de préservation ou de duplication de sites ou d’objets, virtualisation à des fins de simulations techniques ou expériences immersives. La numérisation des espaces allant de pair avec la digitalisation connue par l’ensemble des secteurs au cours du 21è siècle.
La numérisation 3D appliquée à la construction
La numérisation 3D appliquée à la construction consiste en la captation tridimensionnelle automatisée, et sans contact physique de sites existants ou d’ouvrages déjà construits. Contrairement aux méthodes traditionnelles de relevé nécessitant le déplacement d’une personne, habituellement un géomètre, muni d’un appareil mesurant la localisation d’un point proche de sa propre position; la numérisation 3D permet de mesurer des espaces distants et potentiellement inaccessibles à un humain.
Les matériels de numérisation tridimensionnelle habituellement employés dans le BTP sont les scanners laser 3D (lasergrammétrie reposant sur la technologie LiDAR), les drones et appareils photo numériques (photogrammétrie aérienne ou terrestre).
Le nombre de points mesurés au terme de la captation est sans comparaison possible avec un relevé traditionnel, les jeux de données dépassant habituellement le million, voire le milliard de points. Le temps de captation est également fortement réduit, et la précision encore accrue.
Grâce à ces avantages certains, la capture de réalité appliquée au BTP bouleverse les métiers et donne naissance à de nouvelles applications, en termes d’ingénierie numérique de la construction.
Bien que l’application de la numérisation 3D à la construction soit un phénomène récent, les technologies employées existent, pour certaines, depuis plus de cinquante ans.
Histoire de la numérisation 3D
La numérisation laser 3D apporte une réponse au besoin de comprendre les objets. De nombreuses innovations sont venues combler ce besoin au cours des décennies. La science et la technologie ont été à la fois les domaines ayant permis l'émergence des technologies de numérisation 3D, mais également les utilisateurs presque exclusifs de ces mêmes outils pendant de longues années. C’est finalement le phénomène global de digitalisation des métiers qui a conduit à sortir la numérisation 3D des laboratoires.
L’idée a germé au cours des années 1950. En 1953, l’armée des États-Unis a mis à l’essai un appareil de mesure optique associant lumière et obturateurs à grande vitesse. Ils ont appelé le projet “LiDAR”, qui signifie “LIght Detection And Ranging” et peut se traduire par “détection et estimation de la distance par la lumière”. Paradoxalement, les lasers n’étaient même pas encore inventés lors de ce projet !
Détection de tranchées par LiDAR lors de la Première Guerre Mondiale
Ce ne sera qu’au cours des années 1960 que le laser prendra la place centrale de cette technologie. Parallèlement, l’entreprise Écossaise Ferranti lançait une machine de mesures précise munie d’un palpeur, un bras horizontal, appelée “machine à mesurer tridimensionnelle” (MMT). Bien qu’étant un appareil de mesure par contact, il n’en demeure pas moins que l’objectif était de mesurer une géométrie en trois dimensions. Une entreprise Italienne proposera dans les années 60 un modèle plus puissant de MMT sur portique.
Malgré sa déclassification rapide pour en permettre le développement, la technologie LiDAR ne sut séduire les industriels, lesquels se tournèrent en masse vers la numérisation 3D par contact au cours des années 70. L’informatisation des MMT permit d’augmenter la vitesse de mesure et stimula, par la même occasion, l’intérêt d’un nombre croissant de professionnels.
La même année, les studios Pixar créèrent le premier film d’animation en 3D : “The Human Hand” (“La main de l’homme”) reposant sur une captation réalisée avec un MMT.
Au cours des années 1980, les technologies de numérisation continuèrent d’évoluer, profitant des performances croissantes de l’informatique. La technique de numérisation par bandes fit son apparition et fut principalement employée pour numériser le corps humain à des fins d’animation.
L’essor de la numérisation 3D ne se produisit qu’au cours des deux décennies suivantes. Les premiers scanners laser 3D furent commercialisés, mais leur rapport performance/prix/temps de traitement rendait l’investissement complexe à rentabiliser pour les entrepreneurs, qui lui préféreront souvent les techniques d’arpentage traditionnel. Depuis notre entrée dans ce nouveau millénaire, l’informatique suit une croissance exponentielle conforme à la fameuse “Loi de Moore” selon laquelle la fréquence de calcul des ordinateurs double tous les deux ans.
Et bien que les technologies de numérisation 3D existaient depuis 50 ans, c’est finalement cet élément capital qui permit d’améliorer la performance des matériels de numérisation 3D. Si bien que, de nos jours, la numérisation 3D devient un marché à part entière.
L’avenir du marché de la numérisation 3D
A chacune des étapes successives séparant les pensées et les mots que vous êtes en train de lire, l’informatique est entrée en jeu. Documentation, écriture, stockage, diffusion, promotion, achat, et même lecture..., nécessitent un matériel informatique, qu’il soit portable ou non. Pourtant, les scribes égyptiens ne nous ont pas attendus pour fixer des idées sur un support pérenne. L’emploi de nouvelles technologies n’est pas strictement indispensable pour l’humanité.
De tout temps, c’est la quête de solutions plus innovantes et plus performantes, permettant de repousser les limites du possible, qui a conduit les hommes à adopter de nouvelles technologies.
La numérisation 3D n’aurait jamais été démocratisée sans l’essor de l’informatique et, nous l’avons vu précédemment, c’est au rythme de l’amélioration des capacités de calcul que les scanners 3D se sont développés. Le marché suit toujours la même courbe, et plus l’informatique gagnera en puissance, plus la numérisation 3D s'intégrera aux pratiques courantes des professionnels. Ainsi , vous êtes en train de lire ce qui s’avère être le tout premier site dédié à la numérisation 3D appliquée à la construction !
L’accroissement de l’intérêt conduit à une envolée des ventes de matériels de captation 3D et, par économies d’échelle, à une diminution de leurs prix, lequel contribuant donc à augmenter le nombre de ventes. Les prix en baisse permettent d’atteindre plus d’entreprises, et de découvrir de nouvelles applications à d’autres marchés, participant de fait à l’élargissement des solutions proposées, et à la démocratisation de nouvelles technologies.
Courbe d'adoption des nouvelles technologies
Vision prospective sur la numérisation 3D
De même qu’à posteriori il est aisé de dire que le bug de l’an 2000 n’avait aucune chance de se produire; de même il sera aisé de dire dans 20 ans qu’il était évident que la numérisation 3D allait s’ouvrir aux usages que nous connaîtrons en ces temps futurs ! La vision prospective est un exercice périlleux, d'autant plus quand on s’adonne à prédire des phénomènes reposants sur une courbe exponentielle (Loi de Moore) et donc, non linéaire. Qu’à cela ne tienne, certaines limites actuelles donnent naissance à des idées neuves, et permettent l’émergence de nouvelles tendances.
Hébergement des données
La première tendance est liée au volume des données 3D. Un nuage de points ou un “mesh” - nous définirons ces notions plus loin - pèse généralement entre plusieurs dizaines et plusieurs milliers de gigaoctets. Il est actuellement très complexe de diffuser ces données sans support physique, celles-ci étant donc partagées sur des disques durs (de type SSD de préférence, pour une meilleure vitesse de lecture).
Or, l'un des intérêts de numériser des espaces porte - justement - sur la capacité à dématérialiser ce dernier. N’est-il pas contradictoire de “rematérialiser” des données immatérielles ? Il est attendu, par les utilisateurs finaux, une certaine souplesse quant à l’utilisation des jeux de données issues d’une numérisation 3D, et notamment la capacité de pouvoir les échanger à distance, sans support physique.
De la même manière que les vidéos sont passées de supports matériels de type VHS puis DVD à aller louer au vidéoclub, à des applications de streaming de type Netflix ou Youtube disponibles sur n’importe quel équipement et à tout moment, la diffusion des données numérisation 3D aura besoin de reposer sur les technologies de streaming 3D. L’émergence croissante ou constatée de ces services confirme d’ailleurs cette tendance.
Streaming de nuage de points par 3dmapping.cloud
Mobile mapping et numérisation en temps réel
Nous parlerons dans un prochain article du mobile-mapping et du SLAM dont la finalité est de numériser en temps réel des espaces afin de permettre à un matériel de se positionner. Ce marché surfe sur la croissance des investissements dédiés au développement des voitures autonomes et de la robotique. La combinaison de la captation de données dimensionnelles et de vidéos en temps réel ouvre le champ des possibles à une infinité d’applications (inspections d’ouvrages sinistrés sans mettre en péril l’humain, sauvetage, analyse de lieux inaccessibles à un homme, prise de décision en temps réel et à distance, en situation de danger imminent…).
Appliqué au monde de la construction, le suivi numérique des chantiers par digitalisation en cours de construction laisse entrevoir de nombreuses opportunités de gestion financière, de suivi d’avancement, de contrôle qualité et de collaboration numérique immersive, renforcées par l’analyse en temps réel des données captées.
Gestion de chantier par comparaison entre la maquette BIM et la réalité construite capturée en 3D (Image Reconstruct Inc.)
Gestion de chantier par comparaison entre la maquette BIM et la réalité construite capturée en 3D (Image Reconstruct Inc.)
Classification des données 3D et intelligence artificielle
Les progrès considérables réalisés par l’Intelligence Artificielle permettent aujourd’hui à un ordinateur de comprendre ce qu’il voit au travers d’une caméra, en temps réel. La reconnaissance automatique de formes, couplée à une Intelligence Artificielle, permettra dans un avenir très proche, d’interpréter et de sémantiser directement les nuages de points en classifiant les données, en supprimant par conséquent tout travail humain d’analyse, d'interprétation et de remodélisation ultérieure.
L’humain dans une démarche de “scan-to-bim” sera bientôt supprimé.
Les applications sont infinies : documentation et numérisation automatique des espaces, analyses en temps réel, détection des évolutions des sites. Appliquées au bâtiment, ces notions prennent tout leur sens en parlant de numérisation à des fins de contrôle qualité (par exemple, la vérification de la position de certains ouvrages, en comparaison avec la maquette BIM du projet), d’ingénierie (reconnaissance automatique des types de roches sur des falaises, prédiction de la survenue d’un danger), de topographie (documentation automatique des plans topographiques, positionnement du mobilier urbain ou d'arbres) ou même d’architecture et d’urbanismes (documentation de l’environnement, analyse des largeurs de trottoirs pour respect des normes “handicap” PMR).
Classification automatique de nuages de points par intelligence artificielle (Image : Doxel / Spar3D)
Partout où le regard humain reste actuellement nécessaire pour interpréter des données de numérisation 3D, l’intelligence artificielle continuera de gagner du terrain.
Robotisation des outils de numérisation
Les technologies de mobile-mapping ont été créées pour autonomiser les véhicules et robots en leur procurant les yeux qu’ils n’ont pas pour se situer dans l’espace et, par la même occasion, pour le cartographier. Les données ainsi collectées ne sauraient rester dans la mémoire temporaire des appareils autonomes bien longtemps.
Les géomètres font commerce de la cartographie des espaces. Comment imaginer que les données collectées par les robots et véhicules autonomes, plus rapidement, en plus grande quantité et à plus grande fréquence, ne trouvent pas de clients ?
La valeur marchande des données collectées par ces flottes de “géomètres mécaniques” conduira, inévitablement, à la création d’un commerce massif de données 3D. Les géants du digital tels que Google, Facebook et Amazon, dont le commerce repose précisément sur la collecte de données, trouveront un nouvel eldorado avec ce marché.
Les applications concrètes pour la construction peuvent se résumer très simplement : il s’agit de supprimer l’humain qui est aujourd’hui derrière son scanner laser 3D, aux commandes de son drone ou agrémenté de son scan à dos de cartographie (mobile-mapping sur “backpack”, nous en parlerons dans un prochain chapitre).
Au-delà des questions d’éthique que cela suppose, supprimer l’humain de l’activité de numérisation présente de nombreux avantages : accès à des sites dangereux (numérisation d’un espace radioactif ou pollué, d’anciennes mines), complexes (numérisation d’égouts ou de galeries) ou éloignés (activation à distance d’un robot de numérisation situé de l’autre côté de la planète).
Virtualisation des espaces et tourisme numérique
Numériser un espace revient à le rendre disponible pour n’importe quelle exploitation informatique. Parmi elles, la réalité virtuelle, la réalité augmentée et la réalité mixte. Au delà des termes qui renvoient vers des nuances importantes au niveau de l’interface homme-machine, ce sont les applications à la clé qui amènent de nouvelles opportunités au marché du mobile-mapping. Nul doute que le tourisme virtuel fera partie des pratiques courantes dans quelques décennies.
Visiter les temples Maya et la muraille de Chine en une seule soirée gratuitement, depuis votre salon n’est-il pas une perspective intéressante ?
Quand bien même auriez-vous les moyens d’acheter les billets d’avion ad hoc, serait-il pertinent de dépenser votre argent et votre temps ? La planète peut-elle encore supporter le tourisme de masse et l’effroyable bilan carbone qui lui est associé ?
Ces propos peuvent sembler utopiques ou délirants. Sachez tout de même que vous avez déjà fait usage de ce type d’application, car les villes en 3D que vous regardez dans Google Earth et Google Maps ont été modélisées par photogrammétrie, une des techniques de numérisation 3D présentées dans ce livre. Il est certes probable que vous n’ayez pas fait cette expérience à l’aide d’un casque de réalité virtuelle, mais le marché de la numérisation 3D en sera-t-il transformé ? Qu’elle soit diffusée dans un casque, un smartphone ou un ordinateur, la donnée 3D capturée reste la même !
Numérisation 3D héritage historique - Image : Raiz Media sur Sketchfab
Ces visites de lieux numérisés trouvent des applications concrètes dans la construction. De la visite virtuelle immobilière (applications dites “Real-Estate”) à la communication publique pour les gestionnaires de territoires (virtualisation des espaces et des villes en “Smart City” et “SIG 3D”, “Systèmes d’Information Géographique”), le monde de l’architecture et du BTP saura sans conteste s’approprier les usages de la virtualisation des espaces, dont le prérequis est leur numérisation.
Ces quelques lignes prospectives ne sauraient avoir la prétention de prédire l’avenir, et encore moins de le faire de manière objective. Les prochaines années démontreront, ou non, la pertinence des axes de développement évoqués au cours de cet exercice. L’objectif n’est pas de jouer aux prophètes, mais d’orienter votre regard vers de nouvelles applications concrètes utiles pour vos projets.
La croissance prévisionnelle du marché de la numérisation 3D est estimée à 1400% pour les dix prochaines années.
Ces propos, volontairement prospectifs, axés sur l’innovation se veulent inspirants et stimulants. Car, sans enthousiasme, il n’y a pas d'apprentissage de qualité. Et sans inspiration, aucune innovation n’est possible. Une grande part des métiers dits historiques est vouée à disparaître.
Source : numerisation3d.construction/ le-marche-de-la-nulerisation-3D
