Modélisation 3D pour un simulateur d’accident

La synthèse d’image

Définition Les images de synthèse ont débuté au début des années 1950, aux États-Unis, et étaient réservées à la recherche, notamment universitaire. On construisit un système composé d’un tube cathodique et d’un crayon optique, d’après une idée de Ivan Sutherland, du Massachusetts Institute of Technology, pour le contrôle aérien de l’armée de l’air [3]. En 1967, l’université de l’Utah se spécialisa dans ce domaine. En 1975 fut créée une des plus célèbres images de l’infographie 3D, la théière, illustrée dans la Fig. 1.2 [3]. En 1990, l’image de synthèse et la 3D se sont démocratisées et se sont développées de façon importante, avec notamment l’arrivée de matériels plus puissants permettant le temps réel. Depuis, l’accélération 3D fait partie intégrante des matériels informatiques. La synthèse d’image 3D ou infographie 3D est l’ensemble de techniques issu de la C.A.O en vue de produire des images réalistes 3D. La synthèse d’image 3D se décompose essentiellement en deux étapes :
 Modéliser ce que l’on veut visualiser ou représenter. Cette étape est appelée modélisation.
 Effectuer la visualisation de ce qu’on a modélisé. Cette étape est appelée rendu.
Elle permet de modéliser :
 un environnement 3D et de naviguer dans cet environnement en se déplaçant ;
 un phénomène et de visualiser son animation.
Technique de la synthèse d’image
a) Modélisation : La modélisation consiste à décrire une forme par la fabrication d’une maquette numérique qui est la représentation informatique 3D de l’objet à partir d’information géométrique. Chaque objet peut être décomposé en parties géométriques élémentaires tel que cube, sphère, cylindre, polygone, qui une fois assemblées permettent de générer chaque objet dans la scène. La figure 1.3 montre des exemples d’objets modélisés [4]. Pour pouvoir effectuer la modélisation, on utilise des logiciels spécialisés tels que Blender, Maya, 3ds Max, Cinema 4D, AutoCad.
b) Rendu : Après avoir modélisé la scène et les objets de base, il faut affiner et rendre plus réel la qualité de l’image. On attribue ainsi aux objets des couleurs ainsi que des textures et le moteur de rendu calcule les effets d’une source de lumière dans cet environnement de synthèse.
i. Couleur : Il est nécessaire pour rendre un objet plus réaliste avant de lui appliquer une texture de lui attribuer une couleur. Pour cela, le modèle RGB représentant les couleurs de base Rouge, Verte et Bleue sera utilisé. C’est à partir de ces couleurs de bases que sont créées toutes les autres couleurs, comme le montre la Fig. 1.4.
ii. Texture : La texture que l’on applique à un objet est une image en 2D que l’on va coller sur chacun des polygones, afin que l’objet dans son ensemble ait un aspect spécifique comme la pierre ou le bois. Ainsi, on appelle Mapping l’application d’une texture sur une surface. Il existe trois principaux types de mapping:
– Le mapping planaire : l’image est projetée selon un plan;
– Le mapping cylindrique : l’image est enroulée autour d’un objet cylindriquement;
– Le mapping sphérique : on applique l’image en la projetant sphériquement.
iii. Eclairage : Pour bien mettre en valeur les objets et l’environnement de synthèse, il faut aussi modéliser la lumière. Les différents types de lumière pouvant être modélisé sont [4]:
– La lumière ambiante : c’est le modèle le plus simple. On considère qu’il existe une source lumineuse présente partout et qui éclaire de manière égale dans toutes les directions.
– La réflexion diffuse : l’intensité en un point d’une surface dépend de l’angle formé entre le rayon de lumière qui touche le point de la surface et la normale à la surface. (a) (b) (c)
Plus l’angle formé entre le rayon de lumière et la normale au plan est faible, plus l’intensité lumineuse réfléchie visible par l’observateur est forte.
– La réflexion spéculaire : se différencie du modèle de diffusion en faisant intervenir le point d’observation.
– Les sources multiples où il suffit d’additionner toutes les formules issues de chaque source de lumière avec celles issues de la lumière ambiante.
– Les modèles d’ombrage : ils permettent de calculer l’intensité de la lumière par rapport à un polygone, ce qui permet de simplifier le calcul de l’éclairage sur un objet de synthèse. Il existe plusieurs modèles dont les plus utilisés sont l’ombrage plat, l’ombrage de Gouraud et l’ombrage de Phong.
iv. Caméra et perspective : Pour représenter la vue d’objets à trois dimensions sur un écran qui est en 2D, entenant compte des effets de l’éloignement et de leur position dans l’espace par rapport à l’observateur, on utilise la notion de perspective. Les différents types de perspectives sont :
– perspective conique, avec points de fuite : plus l’objet est loin, plus il est dessiné petit ; ce procédé est parfois qualifié abusivement de « vraie 3D » ou de « vision naturelle » ;
– perspective axonométrique, dont la perspective cavalière et les projections orthogonales, notamment la perspective isométrique : la taille de l’objet ne varie pas avec l’éloignement ; l’éloignement est figuré par un déplacement dans le plan de la figure.
v. Contrainte temporelle : Lors de l’animation des images 3D, il faut prendre en compte les contraintes temporelles. Il existe ainsi plusieurs types d’images 3D selon la méthode utilisée [3] :
– 3D temps réel : elle est utilisée dans les jeux vidéo, mais a également de nombreuses autres applications : visualisation architecturale, visualisation médicale, simulations diverses, économiseurs d’écrans. La difficulté technique liée à cette sorte de 3D est d’obtenir la meilleure qualité d’image possible tout en conservant une animation fluide, ce qui demande d’optimiser au mieux les calculs d’affichage. La puissance des cartes graphiques ont ainsi été améliorées afin d’accélérer ces calculs. Pour pouvoir accéder et utiliser facilement les accélérations offertes par ces cartes graphiques, il faut utiliser des API (Application Programming Interface) tels que OpenGL et DirectX. On peut aussi utiliser des moteurs 3D telles que Ogre ou Irrlicht.
– 3D précalculée : elle est utilisée dans la création d’images, d’effets spéciaux et de films d’animation. Son avantage principal est qu’elle permet d’obtenir une très grande qualité d’image et un réalisme poussé. La 3D précalculée ne permet aucune interactivité. Le spectateur ne peut agir sur la scène 3D. Elle est notamment utilisée au cinéma ou en télévision.
– 3D hybride : elle est comme son nom l’indique une composition des deux techniques précédentes. Elle vise à améliorer le photoréalisme de la 3D temps réel.
Domaines d’application La synthèse d’image est utilisée dans presque tous les domaines parmi lesquelles on peut citer le cinéma, les dessins animés, les jeux vidéo, la CAO, la réalité virtuelle, l’imagerie médicale, les simulateurs comme les simulateurs de vol, de conduite et d’accident.

La modélisation par NURBS

                      Ce type de modélisation, contrairement à la technique polygonale est basé sur la création d’un réseau de courbes crées grâce à des points de contrôle. Ces courbes définiront après la forme de la figure voulue, elles peuvent aussi être jointes pour former une surface NURBS en 3D. L’avantage de cette technique est que les courbes sont flexibles et peuvent ainsi subir des déformations comme le montre la figure 2.2. La modélisation par courbes est la technique de modélisation la plus précise. C’est la raison pour laquelle elle est massivement utilisée en architecture et en CAO industrielle, lorsque le souci de précision prime.

Passage d’une voiture sur un dos-d’âne

                 Selon la vitesse d’arrivée de la voiture et de sa masse, le moteur physique définit la réaction de la voiture pendant son passage sur le casseur de vitesse. La vitesse et la masse de la voiture sont affichées sur l’écran, ainsi que la hauteur de décollage du centre de gravité de la voiture par rapport au sol. La distance de la voiture par rapport au casseur de vitesse est aussi affichée. L’utilisateur peut changer la masse et l’accélération de la voiture. Pour la simulation, nous avons défini l’accélération de la voiture à 3 m.s-2 et la masse de la voiture à 1500 kg. La figure 3.8 montre l’arrivée de la voiture à 6m du casseur de vitesse à une vitesse de 30 m.s-1 soit 109 km.h-1. La voiture fait ensuite un tonneau. La figure 3.9 montre la voiture à 5 m du casseur de vitesse et dont la hauteur par rapport au sol est de 1 m avec une vitesse de 29 m.s-1 soit 105 km.h-1. La figure 3.10 montre la voiture à 20 m du casseur de vitesse et à 4 m de hauteur. La figure 3.11 montre la voiture à 33 m du casseur et à 2 m de hauteur. La voiture commence à atterrir dans la figure 3.12 et dans la figure 3.13, elle s’arrête à 36 m du casseur de vitesse.

Collision d’une voiture avec une personne

                La collision dépend non seulement de la vitesse et de la masse du véhicule mais aussi de la masse de la personne. Les paramètres de la voiture sont affichés ainsi que la masse de la personne et la distance à laquelle elle est propulsée. Comme les paramètres de la voiture, la masse de la personne peut aussi être modifiée. La figure 3.14 montre la voiture arrivant à 11 m.s-1. La figure 3.15 illustre la voiture qui ralentit quelques secondes avant la collision avec une vitesse de 10 m.s-1. Le début de la collision est montré dans la figure 3.16 où la vitesse de la voiture descend à 8 m.s-1 et où la personne est propulsée à 2 m. La figure3.17 montre la fin de l’accident vue de dessus où la personne est propulsée à 21 m.

CONCLUSION

                L’imagerie 3D est un domaine très vaste et est utilisée dans de très nombreux domaines. Il existe plusieurs méthodes pour obtenir une image 3D. Ces méthodes vont de l’utilisation d’images de synthèse à la reconstruction 3D à partir d’images. L’objectif de ce mémoire étant de créer un simulateur d’accident de voiture afin de recréer les évènements d’un accident. Nous avons choisi d’utiliser la méthode de la synthèse d’images pour la modélisation de nos scènes. Durant la phase de modélisation, nous avons utilisé la modélisation polygonale pour créer les voitures, les panneaux publicitaires, les villas, la route et les arbres. Après la modélisation polygonale, nous avons utilisé la modélisation par subdivision de surfaces pour créer le personnage. ENASi est un logiciel de simulation d’accident de voitures. Il permet de recréer les scénarios d’un accident pour en déterminer les causes. Il est multiplateforme c’est-à-dire qu’il peut être utilisé sous différents systèmes d’exploitation tels que Windows, Linux ou MacOS. Il peut aussi être installé sur des tablettes et téléphones possédant les systèmes d’exploitation Android et iOS. Bien que ENASi offre un large éventail de possibilités pour la reconstitution d’accident, certaines améliorations peuvent encore lui être apportées, entre autres la fluidité des objets de la scène.

Table des matières

REMERCIEMENTS
RESUME
LISTE DES ABREVIATIONS
LISTE DES FIGURES
INTRODUCTION
Chapitre 1 : Généralités sur l’imagerie 3D
I. Quelques définitions
I.1. Qu’est-ce qu’une image ?
I.2. Imagerie 3D
I.3. Animation 3D
II. Pourquoi utiliser l’imagerie 3D ?
III. Méthodes d’obtention d’une image 3D
III.1. La synthèse d’image
III.1.1. Définition
III.1.2.Technique de la synthèse d’image
a) La modélisation
b) Le rendu
III.1.3. Domaines d’application
III.2. La stéréovision
III.2.1. Définition
III.2.2. Méthode de la stéréovision
a) Calibration de la caméra
b) Appariement
c) Reconstruction
III.2.3. Domaines d’applications
IV. Conclusion
Chapitre 2 : La modélisation 3D
I. Généralités
II. La modélisation polygonale
II.1. Principes
II.2. Avantages
III. La modélisation par NURBS
IV. Modélisation par subdivision de surface
IV.1. Introduction
IV.2. Principe
IV.3. Exemple
IV.4. Application
V. Modélisation par surfaces implicites
V.1. Introduction
V.2. Fusion de surfaces implicites
V.3. Surfaces implicites composées
V.4. Surfaces implicites basées sur la distance
V.5. Application
VI. Modélisation géométrique des solides
VI.1. Représentation par frontière
VI.2. Modélisation volumique
V. CONCLUSION
Chapitre 3: ENASi
I. Notion de moteur de simulation physique
II. Outil de développement
III. Présentation de ENASi
III.1. Configuration matérielle et logiciel
III.2. Présentation du logiciel
IV. Simulation d’accident
IV.1. Passage d’une voiture sur un dos-d’âne
IV.2. Collision d’une voiture avec une personne
IV.3. Collision entre deux voitures
V. Conclusion
CONCLUSION
REFERENCES

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