Interviews : Assimilate Scratch

DAVID

 

DAVID Laserscanner est une figure bien connue du scan 3D low-cost : à l’aide d’un matériel peu onéreux, il permet à l’amateur de se lancer dans le scan 3D à l’aide d’une simple webcam et d’une ligne laser.

La dernière version du logiciel, DAVID 3, a apporté de nouvelles fonctions, comme le scan par lumière structurée, à l’aide d’un projecteur vidéo.

En compagnie de Simon Winkelbach, un des concepteurs du logiciel, nous revenons sur cette solution, ses avantages et inconvénients, les nouveautés de la version 3 ou encore l’avenir du logiciel.

Les illustrations de l’article sont des scans réalisés par des utilisateurs du logiciel, avec leur nom et le pseudonyme qu’ils utilisent sur le forum de DAVID Laserscanner.

Interview publiée le 6 janvier 2011.

 

visages

Visages, par Mattia Mercante (Hal) – mattia.mercante@gmail.com

 

3DVF : Bonjour Simon, et merci d’avoir accepté cette interview.
Pour commencer, pouvez-vous nous présenter DAVID Vision Systems GmbH ? Comment et quand la société a-t-elle été créée, et qu’est-ce qui vous a mené vers le domaine du scan 3D ?

Simon Winkelbach : DAVID Vision Systems a été créée au début de l’année 2009, en tant que spin-off de l’Institute of Robotics and Process Control de la Technische Universität Braunschweig, située en Allemagne. J’y ai travaillé plus de 10 ans en tant qu’enseignant-chercheur dans les domaines de la robotique et de la vision par ordinateur.

À l’époque, les scanners 3D étaient très chers (souvent plus de 50 000 €). Je crois que c’est en 2003 que j’ai eu pour la première fois l’idée assez audacieuse de proposer une technique de scan 3D à un prix aussi bas que possible, qui serait même abordable pour les étudiants de notre cours de vision informatique.

Ce qui rend le logiciel si spécial, c’est que vous n’avez même pas besoin d’un système complexe pour gérer le laser : il suffit d’effectuer le balayage du faisceau à la main. Une caméra simple (par exemple, une webcam) et une ligne laser vous suffisent donc pour créer votre propre scanner 3D. Les deux peuvent se trouver des boutiques d’électronique, pour un budget débutant à 15-20€.

Évidemment, vous aurez aussi besoin d’un PC et d’un logiciel pour traiter les images. Par chance, j’ai rencontré un étudiant intelligent et motivé (Sven Molkenstruck) qui s’est chargé de l’implémentation du logiciel dans le cadre de ses études, en tant que un projet de recherche. À partir de là, nous avions tout le nécessaire pour réaliser un vrai scanner 3D pour un budget débutant à 40€. À l’époque, nous avons pensé que c’était bien, mais pas révolutionnaire. Nous avons donc seulement montré la technique de temps à autre, quand un invité visitait l’institut de robotique…

En 2006, on nous a demandé — comme chaque année — de publier des résultats neufs lors de la DAGM (Conférence Allemande sur la Reconnaissance de Forme). Nous avons alors décidé de montrer notre petit scanner 3D, qui n’avait figuré dans aucune publication, en complément avec une idée nouvelle pour de l’assemblage rapide de scans… Et nous avons reçu le prix de la meilleure publication au DAGM ! C’est ce qui a tout lancé…

Pour faire court : Sven et moi avons continué à développer le logiciel, et sommes parvenus à partir du prototype à DAVID, application d’utilisation très simple. Une fois mis en ligne sur nos sites, il a eu droit à de très nombreux téléchargements, et la page a fini par arriver en tête de liste pour la requête « 3D scanner » sur Google Allemagne. Nous avons donc décidé de créer un site dédié, www.david-laserscanner.com, avec un système de wiki et un forum pour les utilisateurs. Deux ans plus tard, DAVID Vision Systems GmbH  était né.

 

Moto

Scan de modèle réduit de moto (échelle 1/24), par Mattia Mercante (Hal) – mattia.mercante@gmail.com

 

3DVF : Vous avez récemment lancé DAVID Laserscanner 3 : plus d’un an de développement, de nombreuses améliorations par rapport à DAVID 2.x… Pouvez-vous nous en dire plus ?

Les modifications par rapport à la V2 sont si nombreuses que je ne vais pas toutes les détailler. Évidemment, la première chose que verra l’utilisateur, c’est la nouvelle interface : plus flexible, polyvalente et esthétique. L’ensemble de l’interface est défini via des scripts XAML, qui sont open source et peuvent être modifiés par l’utilisateur.

La plus grosse avancée est l’intégration complète du scan 3D à l’aide de lumière structurée, qui rend le scan bien plus rapide et facile. Pour cette méthode, il est possible d’utiliser un projecteur vidéo classique à la place d’une ligne laser : le vidéoprojecteur est connecté au PC et DAVID 3 l’utilise pour projeter une série de motifs à base de bandes.
En pratique, on appuie sur « start », on attend quelques secondes, et le résultat est là !

D’autres fonctions ont fait leur apparition, comme une mise à jour automatique, une gestion de la mémoire améliorée, et bien plus.

3DVF : Quels sont les retours utilisateurs ? Quelles sont les fonctions qu’ils apprécient le plus ? Y a-t-il des regrets sur des fonctions qui n’ont pas pu être implémentées ?

Les retours des utilisateurs sont très gratifiants. La nouvelle fonction de Lumière Structurée marche très bien et est utilisée par de nombreux utilisateurs. Au travers du forum nous recevons de nombreuses suggestions et bonnes idées pour améliorer le système, que nous ne pouvons évidemment pas implémenter d’un coup, mais seulement petit à petit.

 

Expressions faciales

Expressions faciales et buste, par Benoit Martinez (Ben4096).
En bas à gauche, les différentes passes qui, une fois assemblées sous DAVID, permettent d’obtenir le modèle de droite.

 

3DVF : Quels sont les avantages et inconvénients du scan par lumière structurée (structured light scanning) par rapport au scan laser ? Ces deux méthodes sont-elles « concurrentes » ? Ont-elles des usages particuliers, ou bien est-ce seulement une affaire de goût ?

La lumière structurée (LS) est bien plus raide que le scan laser, puisque la caméra n’a besoin de capturer que 12 images pour un scan 3D. Il suffit d’un clic pour obtenir les données. De plus, le scan LS fonctionne sans panneaux de calibration (contrairement au scan laser manuel, où les panneaux doivent rester derrière l’objet à scanner). Les panneaux ne sont nécessaires que pour la phase initiale de calibration du projecteur et de la caméra.
Un autre avantage de la LS est que nous pourrons à l’avenir utiliser un appareil photo numérique classique, qui offre une excellente résolution pour un prix bas.
Mais évidemment, il y a aussi de bonnes raisons d’utiliser un laser : les prix des projecteurs baissent, mais restent plus élevés que ceux des lasers. Le laser est plus lumineux, et peut donc être utilisé à plus grande distance ou avec une lumière ambiante plus intense. Un laser est préférable pour des petits détails sur de petits objets, car les projecteurs classiques ne peuvent la plupart du temps pas faire la mise au point à très faible distance.

3DVF : Quel type d’objet peut/ne peut pas être scanné avec DAVID et le scan laser/en lumière structurée ? Quelles sont les contraintes en termes de taille, matériau, forme, etc. ?

Par chance, DAVID fonctionne bien à différentes échelles. Je crois que les plus petites choses scannées jusqu’ici sont des pièces et insectes, et les plus grosses des canapés et voitures. Si vous voulez scanner un très petit objet, il pourra être difficile de trouver une caméra précise/nette et un projecteur ou une ligne laser qui auront la finesse nécessaire, il pourra donc être souhaitable de s’orienter vers des objectifs macro.

Si vous voulez scanner de gros objets, les facteurs limitants sont la puissance de la source lumineuse et les panneaux de calibration, qui doivent être adaptés à la taille de l’objet.

En ce qui concerne les matériaux, DAVID a des restrictions similaires à celles de toutes les techniques de scan reposant sur la lumière : les surfaces ne doivent pas être trop brillantes, car cela causerait des reflets parasites, et les objets trop sombres ou transparents sont à éviter.

 

Mouche-guêpe

 

Mouche et guêpe, par Mattia Mercante (Hal) – mattia.mercante@gmail.com et Greg Quisenberry (Bongobat)

 

3DVF : Qu’en est-il du côté des performances ? En d’autres termes, quelle est la précision d’un scan 3D dans DAVID Laserscanner ? Y a-t-il une différence de précision entre le scan par laser ou lumière structurée ?

La précision est étonnamment bonne ! Évidemment, elle dépend des performances du matériel que vous utiliserez, qu’il s’agisse de la webcam (résolution, distortion de l’objectif, bruit numérique…) ou de l’installation elle-même (distance de la caméra, taille de l’objet, conditions d’éclairage), angle de triangulation entre la caméra, l’objet à scanner et le laser/le projecteur, la précision des panneaux de calibration…). Généralement l’erreur ne devrait pas dépasser 1% de la taille de l’objet. Avec un matériel raisonnablement bon, la résolution atteint environ 0,1% de la taille de l’objet.
D’après nos constats, la précision sera identique entre un scan laser et en lumière structurée, en utilisant la même caméra sur un objet mat.
Les différences principales seront le prix, la vitesse de scan, la mobilité et la flexibilité.

3DVF : Les utilisateurs de DAVID débattent depuis longtemps sur le forum des avantages et inconvénients de composants spécifiques tels que modèles de webcams, lasers, le but étant de trouver quelles références produisent les meilleurs résultats pour le scan laser.
Apparemment, le débat a commencé également autour de la lumière structurée, depuis que DAVID propose cette méthode… Y a-t-il déjà une liste regroupant les meilleurs projecteurs/pico projecteurs pour DAVID ?

Non, pas encore. À l’heure actuelle, nous et notre communauté d’utilisateurs testons activement différents projecteurs. Mais j’imagine qu’il n’y a pas de projecteur idéal pour toutes les applications. Si vous devez scanner des petits objets (10-30cm de long) un mini ou pico projecteur pourra être le bon choix, puisqu’ils peuvent projeter une petite image à faible distance.
Si par contre vous voulez scanner de gros objets, vous allez sans doute avoir besoin de plus d’intensité lumineuse et d’un plus gros projecteur.
Nous sommes en train de choisir et modifier des projecteurs LED de façon à abaisser radicalement leur distance minimale de mise au point, et nous les proposerons dans la boutique en ligne très bientôt.

 

Chaussures


Scans de chaussures, par
Mattia Mercante (Hal) – mattia.mercante@gmail.com

 

3DVF : À l’inverse, avez-vous des retours sur des projecteurs donnant des résultats médiocres ?

Un inconvénient présent chez la plupart des projecteurs commerciaux est la façon dont ils produisent la couleur. Sur les projecteurs DLP single-chip, le rouge vert et bleu sont projetés de façon temporellement séquentielle. L’altération des couleurs est si rapide que l’oeil humain ne la voit pas, mais si vous utilisez une caméra pour filmer l’image projetée, vous obtiendrez une sorte d’effet stroboscopique. La seule manière d’éviter cet effet est régler le temps d’exposition de la caméra, par exemple à 1/30 de seconde, en fonction de la fréquence du projecteur.
Les projecteurs LCD n’ont la plupart du temps pas cet inconvénient, car dans ce cas les trois couleurs primaires sont projetées simultanément via trois panneaux LCD. Mais on peut avoir des problèmes différents, comme une netteté plus faible.
En fait, il faut bien voir que nous n’avons pas besoin de couleurs en scan 3D : un projecteur monochromatique sans cette technique de séparation RGB serait bien meilleur pour nos usages… Mais de tels projecteurs, plus simples, ne sont pas un produit de masse, et sont donc très chers.

3DVF : Lors de l’achat d’un projecteur destiné au scan par lumière structurée, quelles caractéristiques doit-on rechercher ou éviter ?

Si l’utilisateur veut scanner de petits objets : une distance minimale de mise au point relativement courte.

À la place d’une webcam, je conseille aussi d’utiliser une caméra de meilleure qualité, avec objectif interchangeable : les webcams sont souvent assez grand-angles, et cela ne correspond pas trop à l’ouverture des projecteurs standards.

3DVF : Il y a actuellement deux éditions de DAVID, l’une étant gratuite, mais qui permet tout de même l’export de modèles basse résolution (mais pas le résultat de la fusion de plusieurs passes).
Pourquoi avoir choisi cette option et non une démo 30 jours ? Avez-vous une idée du ratio entre le nombre d’utilisateurs de la version gratuite, par rapport à ceux ayant opté pour la version Pro ?

Non, nous ne connaissons pas le ratio, en fait nous ne comptons pas le nombre d’utilisateurs ayant opté pour la version gratuite.
En fait, nous voulions proposer une version pour les amateurs, étudiants, écoles et universités dès le départ, car ils n’ont pas les moyens d’acheter des scanners 3D qui valent plusieurs milliers d’euros. Nous persistons à penser que fournir une version gratuite, qui permet à tous de jouer et apprendre sans limitation de durée.
Je ne sais pas si une version limitée à 30 jours pourrait augmenter nos profits, mais peu importe : le profit n’est pas tout ce qui compte.

 

corps

Scans de corps complet, par Benoit Martinez (Ben4096)

 

3DVF : La boutique en ligne propose des accessoires tels que des lignes laser vertes, rouges et maintenant bleues, des caméras/webcams, du spray à vaporiser sur les objets pour les rendre blanc et faciliter le scan, et même un kit de démarrage complet pour les débutants.
Vous avez indiqué plus haut avoir l’intention de proposer également des projecteurs.
Quid de moteurs, moteurs pas-à-pas (stepping motor) ou microcontrolleurs, qui peuvent servir à contrôler le balayage d’une ligne laser ?

Oui, nous en avons l’intention. Nous allons bientôt proposer des projecteurs et lasers motorisés.

3DVF : Autodesk a montré que son intérêt pour le scan 3D était toujours bel et bien présent en lançant 123D Catch (anciennement Projet PhotoFly). Qu’en pensez-vous ? Est-ce que vous les considérez comme un concurrent ?

Pas vraiment, je pense que des logiciels comme 123D Catch couvrent un autre champ d’application, par exemple de grandes scènes en intérieur/extérieur où vous aurez beaucoup de textures et détails de l’image qui pourront servir à l’assemblage, et où la précision joue un rôle plus mineur.

3DVF : Est-ce que DAVID proposera de la photogrammétrie, à l’avenir ? Est-ce que vous vous intéressez à ce type de technique ?

Oui et non. Comme vous le savez, nous utilisons déjà des marqueurs pour calibrer la caméra, ce qui est une technique bien connue en photogrammétrie.

a À l’avenir, nous pourrions également utiliser des points ou des caractéristiques de l’image pour tracker une ou plusieurs caméras mobiles. Mais nous n’avons pas l’intention de redévelopper un projet du type Autodesk 123D Catch (ex projet Photofly).

3DVF : Que peut-on attendre des futures versions de DAVID Laserscanner ? Avez-vous en tête une wishlist avec les fonctions « prioritaires » ? Est-ce que le support des réflex numériques en fait partie ?

Notre to-do list est longue, et oui, le support des réflex en fait partie. Mais je ne peux pas vous dire ce qui sera implémenté en priorité, ou ce qui arrivera après.

3DVF : Il semble qu’une Enterprise Edition de DAVID soit en préparation, avec un lancement prévu dans les mois à venir. Pouvez-vous déjà nous indiquer quelles seront les spécificités de cette édition ? Quel sera son prix, par rapport à l’actuelle version Pro ?

Nous ne pouvons pas vraiment donner de détails à l’heure actuelle. L’Enterprise Edition comportera des fonctionnalités utiles pour des usages industriels uniquement (support de hardware spécifique, fonctions logiciels avancées). Cette nouvelle branche nous permettra de continuer à proposer en parallèle une solution low-cost pour les utilisateurs classiques ou les petites entreprises.

 

Pièces


Pièces de monnaies, par Gunter Weber (Magweb)

 

Pour en savoir plus :

– Le site officiel de DAVID Laserscanner.

 

 

figurines

 

Figurines scannées, par Mattia Mercante (Hal) – mattia.mercante@gmail.com

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