Memoire Online - Modélisation 3d pour les personnes vivant avec handicap.

Les gens heureux ne perdent pas de temps à faire du mal aux autres. La méchanceté appartient aux malheureux et aux jaloux.

IN MEMORIAM

Ma très chère mère Aimé-Marie MUSO KIKOKO qui nous a financé et qui souhaitait nous voir terminer nos études mais Dieu n'a pas voulu en l'appelant dans le royaume de cieux ;

Notre Ami Hyacinthe KIMBAMFU MUPENDE qui ne fût pas qu'un ami mais aussi un frère, un conseillé dans le domaine spirituel, un grand motivateur dans le domaine de l'informatique et il nous suffit de signaler que si nous travaillons sur ce sujet, c'est grâce à ses encouragements.

DEDICACE

A nom père Gibert FREY OYEY, au Professeur Nestor ANZOLA KIBAMBA et à tous ceux qui, d'une quelconque manière, ont contribué à l'élaboration de ce travail. C'est à vous que je le dédie.

REMERCIEMENTS

Au terme de ce travail qui sanctionne la fin de nos études de licence en sciences informatiques à l'Université de Kinshasa, nous ne pouvons conclure sans remercier de près ou de loin tous ceux qui ont contribués à la concrétisation de ce travail.

De prime à bord, nous remercions le Très-Haut, Dieu Tout-puissant, lui qui demeure le commencement et la fin de toute chose. Qu'il agrée l'expression de notre profonde gratitude !

Nous tenons à témoigner notre très haute considération et gratitude, singulièrement au Professeur Pierre KAFUNDA KATALAY qui, en dépit de ses multiples occupations, a accepté d'assurer la direction de notre travail.

Nous manifestons notre expression de reconnaissance à l'égard du Corps Professoral et Scientifique de la Faculté des Sciences de l'Université de Kinshasa en général et celui du Département de Mathématiques et informatique en particulier.

Je remercie très particulièrement mon Père Gilbert FREY OYEY et le Professeur Nestor ANZOLA qui malgré leurs occupations nous ont vraiment orienté et qui continuent à nous orienter vers le vrai chemin de la science.

Nos remerciements s'adressent également à l'assistant AndréMUSAS et Tege SIMBONI, pour leurs disponibilités et leurs conseils pertinents en vue de notre orientation.

Mes remerciements vont à l'égard des membres de la famille, à nos amis, frères et soeurs.

LISTE DES ABREVIATIONS

ABREVIATIONS	EXPLICATIONS
2D	Deux Dimension
3D	Trois Dimension
B-Rep	Représentation par Frontières (Boundary Representation)
CAO	Conception Assisté par Ordinateur
COM	Component Object Model (objet composant modèle)
CSG	Géométrie Constructive des Solides (Constructive Solid Geometry)
HAL	Hardware Abstraction Layer (Couche d'Abstraction Matérielle)
HEL	Hardware Emulation Layer (Couche d'Emulation Matérielle)
LMB	Left Mouse Button
MMB	Middle Mouse Button
NURBS	Spline Basique Rationnelle Non Uniforme (Non Uniform Rational Basic Spline)
OpenGL	Open Graphics Library (bibliothèque graphique overte)
PCI	Interconnexion de Composants Périphérique (Peripheral Component Interconnect)
RepRap	Réplication Rapid Prototyper
RMB	Right Mouse Button
SLA	StéréoLithographie Apparatus
TIC	Technologie d'Information et de Communication

LISTE DES FIGURES

Figure IV.1 : Comparaison entre les interfaces de Blender 2 .49b et Blender 2 .5x et suivants. (Page 51)

Figure IV.2 : Scène de base fournie par Blender au démarrage du logiciel (page 52).

Figure IV.3 : Sélecteur des différents modules se trouvant dans chaque bloc (page53)

Figure IV.10. Vue finale de la prothèse en mode Edition sous format 2D (page 59)

Figure IV.11. Vue finale de la prothèse en mode Object sous format 2D (page 60)

Figure IV.12. Vue finale de la prothèse en mode Object sous format 3D (page 60)

LISTE DES TRABLEAUX

INTRODUCTION GENERALE

L'informatique en tant que discipline scientifique et technique s'est déployées sur deux siècles environs : le 19^ème et le 20^ème siècle. Elle est liée à l'apparition des premiers automates et à la mécanisation d'un processus de développement et de généralisation des machines qui a commencé au 18^ème siècle en Europe avec l'industrialisation.

Depuis ces années jusqu'à nos jours, il a connu des divers avancés comme : l'arrivé du terme robotique vers 1942, l'apparition de l'intelligence artificielle celle-ci a débuté dans les années 1950 avec les travaux d'Alan Turing qui se demandait si une machine pouvait penser.

1. PROBLEMATIQUE

Avec les progrès réalisés par les Technologies de l'Information et de la Communication (TIC), dans tous les secteurs d'activités humaines ont permis certaines entreprises, d'adapter leur solution informatique à d'autres réalités de la vie surtout aux personnes vivant avec handicap.

Aujourd'hui avec l'évolution de la modernité, une personne ayant perdu l'une des parties de son corps ne peut plus désespérer du fait qu'on cherche à lui trouver une partie similaire à celle perdue afin que ce dernier retrouve l'équilibre et le sourire. Pour bien élaborer notre travail, nous nous sommes posé quelques questions à savoir :

ü Est-il possible de mettre en place un objet remplaçant un membre estropier de leur corps ?

2. HYPOTHESE

Se référant aux questions posées à la problématique et vu sa pertinence, la solution proposée est celle de mettre en place un système de modélisation des prothèses 3D. Ce système 3D (modélisation 3D) permettra à ce que chaque personne puisse retrouver sourire par apport à l'une des parties de son corps perdu.

Ce dernier est vraiment très avantageux, car il va donner de l'équilibre à ces personnes.

3. INTERET DU SUJET

L'intérêt de ce travail est d'aider des personnes vivant avec handicap à retrouver un membre perdu lors d'un accident, d'un affrontement armé et autres. C'est à travers ce système 3D ; que les personnes ayant perdu un membre du corps humain pourront les retrouver imprimés en 3D.

4. DELIMITATION DU SUJET

Aujourd'hui, il existe de nombreuses prothèses permettant de remplacer un membre. Nous distinguons plusieurs types de prothèses : Prothèse articulaire, prothèse oculaires, prothèse de dentaires, prothèse du coeur, prothèse de la main, prothèse du genou, etc.

Dans ce travail, nous allons extraire de connaissances sur la prothèse de la main pour permettre aux personnes qui ont des problèmes avec leur main, de la retrouver imprimé en 3D.

5. METHODES ET TECHNIQUES UTILISEES

a. Méthode

Pour ce travail, plusieurs méthodes nous ont beaucoup aidé. Nous pouvons citer : 3DSizeME, 3D Creator, Bevel, Canvas, itSeez3D, Qlone, SketchUp, Blender, etc.

Ces méthodes sont directement liées aux logiciels portent les mêmes noms que les logiciels de modélisation et d'impression 3D.

b. Technique utilisées :

Elle nous a permis d'échanger avec le public en se référant aux questions écrites pour avoir des informations sûres.

Nous avons consulté des ouvrages et publications d'autres personnes ayant abordé ce sujet dans le même contexte que nous ; et nous avons consulté le laboratoire fabLab pour la partie pratique de notre sujet.

6. SUBDIVISION DU TRAVAIL

Hormis l'introduction générale et la conclusion générale, notre travail se subdivise en quatre chapitres, à savoir :

Chap I. Généralité sur la Modélisation 3D

I.0. Introduction [9]

La modélisation tridimensionnelle est l'étape en infographie tridimensionnelle qui consiste à créer, dans un logiciel de modélisation 3D, un objet en trois dimensions, par ajout, soustraction et modifications de ses constituants.

Dans ce chapitre, nous allons éclaircir c'est quoi l'infographie et donner les notions préliminaires sur la modélisation 3D. A la suite, nous allons expliquer ou montrer en long et en large comment cette modélisation se réalise. Elle est en soi une technique majoritairement utilisée dans le jeu vidéo, la médecine interne ou externe et le cinéma d'animation.

I.1. Infographie 3D [9]

L'infographie trois dimension, souvent abrégée Infographie3D est un ensemble de techniques notamment issues de la conception assistée par ordinateur ( CAO) qui permet la représentation d'objets en perspectivesur un moniteur d'ordinateur.

Grace à cette infographie, on peut faire la synthèse tridimensionnelle et par là, on fait référence à l'espace vectoriel. Sa décomposition fait appelle à trois dimensions cartésiens qu'on peut nommer x, y et z.

Prenons, dans une pièce, un point de référence, et définissons des directions gauche-droite (X), avant-arrière (Y) et haut-bas (Z). Pour aller de l'origine à un point donné, il faut faire : x (mètres vers la droite), y(mètres vers l'avant), z (mètres vers le haut).

I.2. Modèle Numérique ou Modélisation 3D [1,2,5,9]

Comme on l'a dit précédemment, le modèle numérique autrement dit modélisation en trois dimensions est une représentation numérique d'un objet. Et dans le 3D, On s'intéresse aux modèles numériques représentant des objets physiques.

Cette modélisation 3D est issue de l'infographie trois dimension. Elle est actuellement très utilisée en artnumérique dans l'industrie du film, initiée par les studios Pixar, Disney, DreamWorks, BlueSky, Illumination et ILM et, depuis 1992, dans beaucoup de jeuxvidéo. Faisant référence à 3D, on a donc trois axes x, y et z qui constituent le repère orthonormé de la géométrie

En effet, la synthèse des images 3D se décompose essentiellement en deux étapes à savoir :

ü Modélisation : c'est l'étape qui consiste à modéliser ce que l'on veut visualiser ou représenter ;

ü Rendu : il consiste à effectuer la visualisation de ce que l'on a modélisé.

I.2.1. Modélisation [1,5,9]

En parlant de la modélisation, on fait référence au stockage par l'ordinateur d'un ensemble de données géométriques et de caractéristiques graphiques permettant de représenter ensuite le modèle. Ce modèle est habituellement appelé scène 3D, d'après l'anglais scène qui signifie « vue ».

a. Méthode de Modélisation

Nous avons plusieurs méthodes de modélisation à savoir : B-Rep, CSG, Splines et Surfaces implicites.

1. CSG (Constructive Solid Geometry, géométrie constructive des solides) : la définition des objets est fait grâce aux opérations (unions, intersections...) sur des formes géométriques dans l'espace (polyèdres, sphères, cônes, courbes de Bézier, splines, NURBS...).

2. B-Rep (Boundary Representation, représentation par frontières) : la limite de chaque objet est faite à partir des formes géométriques 2D (généralement des triangles). C'est le format naturel de sortie des scanners 3D qui mesurent les cotes de points à la surface des objets. C'est aussi la représentation généralement utilisée par les dispositifs d'affichage accélérés pour la 3D.

3. Splines : c'est làoù les surfaces sont décrites par des courbes formant un treillis.

4. Surfaces Implicites, où les objets à représenter sont décrits par des surfaces joignant des volumes, le plus souvent des sphères.

b. Contraintes temporelles dans la modélisation [5,9]

Partant du contrainte temps, la modélisation se réalise suivant un temps précis à savoir :

1. La modélisation temps Réel

La modélisation temps réel est souvent utilisé dans le jeux vidéo, mais a également de nombreuses autres applications : visualisation architecturale, visualisation médicale, simulations diverses, économiseurs d'écrans...

Dans l'ancien temps, tous les calculs revenaient au processeur central (CPU) des ordinateurs, mais la puissance toujours plus grande demandée pour améliorer la qualité des images poussant des constructeurs à commercialiser des cartes PCI (Peripheral Component Interconnect) spécialisées dans la 3D.

Il suffit à noter que : Le smartphoneSamsung Galaxy S7 a été le premier appareil mobile à proposer l'accès à l'API Vulkan, et la démonstration qui a été faite utilisant le moteur 3D ; Unreal Engine4 a repoussé les limites de la modélisation temps réel sur mobile. En suite les tablettes AndroidNvidia Shield ont également été mises à jour avec le support de Vulkan.

2. La Modélisation Pré-calculée

La Modélisation pré-calculée 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. L'image est qualifiée de « photoréalisme » lorsque son niveau de détail est très important. On peut alors la confondre avec une photographie.

Une préoccupation pour les temps de calcul existe, mais à une échelle totalement différente de celle de la modélisation temps réel. En effet, dans cette dernière, une animation fluide demande qu'il soit possible de calculer plus de vingt images par seconde, alors avec la modélisationpré-calculée, le calcul d'une image peut prendre des heures, voire des jours.

3. La Modélisation Hybride

La Modélisation hybride vise à améliorer le photoréalisme de la modélisation temps réel en pré-calculée. Certains paramètres dont le calcul est coûteux mais dont la qualité est indispensable au réalisme de l'image.

L'éclairage fait partie de ces paramètres coûteux. Et en modélisation temps réel, il est sacrifié : pas ou peu d'ombres portées, pas d'illumination globale. Or, un bon éclairage apporte énormément au réalisme de l'image et c'est souvent ce qui fait la grande différence entre la modélisation temps réel et la modélisation pré-calculée.

En utilisant l'application de modélisation 3D, on doit se mettre en tête qu'elle doit respecter certaines contraintes : de foi il peut se faire avec contrainte physique ou sans contrainte physique.

En tenant compte de la modélisation avec contrainte physique, on voit son importance dans plusieurs domaines de la vie humaine : médecine, architecture, mécanique et Urbanisation.

ü Médecine : ça aide à la confection de prothèses, reconstruction d'organes etc.

ü Architecture : ça aide à la visualisation de futurs bâtiments, insertion de bâtiments dans le paysage etc.

ü Mécanique : ça aide à faire de simulation physique d'entraînement d'engrenage, tests de montage, usinage de pièces etc.

Ici on effectue la modélisation de personnages, animaux etc. de façon réaliste, avec effets spéciaux, éclairage, rendu plausible des images pour satisfaire l'oeil des spectateurs.

I.2.2. Rendu

Le rendu est une phase qui consiste à transformer l'espace 3D en une image 2D. Le rendu est généré par un ou des programme(s) qu'on appelle moteur de rendu 3D, intégré(s) ou non au logiciel de modélisation.

Le moteur de rendu, est un logiciel ou un programme intégré à un logiciel de modélisation qui permet la transformation de l'univers 3D à l'univers 2D (écran) !

Il se peut que certaines de ces phases soient réalisées en même temps (dans les cartes 3D par exemple).

ü L' algorithme de Gouraud, est une méthode de rendu très simplifiée puisqu'elle consiste à interpoler sur l'image en 2D, ligne par ligne au niveau des pixels, les valeurs d'intensité de l'intérieur d'un polyèdreselon les intensités de ses voisins : c'est un lissage 2D.

ü L' algorithme de Phong est un ombrage 3D qui permet d'avoir un volume et un effet de matière, en fonction de la source de lumière et de propriété de réflexion de la lumière du matériau en chaque point du polyèdre, par interpolation des normales aux sommets.

La radiosité calcule les échanges d'énergie lumineuse entre éléments de surface de la scène en tenant compte de leurs propriétés de réflexionet d' absorption. Cela nécessite de décomposer la scène en élémentsfinis de surface. Cela permet des éclairages naturellement doux. Cette technique associée au lancer de rayons et à d'autres voisines permettant les inter-réflexions est une technique d' illuminationglobale.

Les objets ainsi définis par des nombres peuvent ensuite être dessinés sur un écran ; les triplets de valeurs (x, y, z) sont transformés en points du dessin. Ce rendu utilise généralement la notion de Perspectivelinéaire : plus l'objet est loin, plus il est dessiné petit ; ce procédé est parfois qualifié de « vraie 3D » ou de « vision naturelle ».

La position des points s'obtient facilement. Un produitmatricieleffectue un changement de coordonnées, vers un repère dont l'origine est le point de vue, l'axe de profondeur z' est la direction principale, perpendiculaire à la surface de rendu, et les deux autres axes, x' et y' sont parallèles à la largeur et la hauteur de la surface de rendu. Un produit scalaire par le quotient de la distance entre point de vue et surface de rendu et la cote sur l'axe z' de profondeur, ramène ensuite tous les points dans le plan de visualisation.

Le rendu doit généralement déterminer quelles sont les parties visibles et les parties cachées. Les techniques de la synthèse d'images 3D ont d'abord distingué les algorithmes de calcul des faces cachées qui travaillaient dans l'espace 3D de la scène et ceux du rendu photoréalismequi travaillaient dans l'espace 2D de l'image (pixels). Les algorithmes de rendu actuels réalisent les deux fonctions simultanément.

D'autres algorithmes de rendu tiennent compte du fait que les détails et les contrastes s'estompent avec l'éloignement ( perspectiveatmosphérique).

ü Z-buffer (tampon de profondeur des pixels), utilisant l' algorithmedit du peintre (qui peint la scène en partant du fond puis successivement les sujets de plus en plus rapprochés) pour afficher les scènes constituées de polygones ou de structures plus évoluées comme les nurbs, et qui gère correctement l'affichage de polygones entremêlés à la précision de l'affichage car le tracé se fait pixel par pixel. C'est une méthode 3D de calcul de faces cachées à l'échelle des pixels car elle conserve la profondeur de chaque pixel.

ü Le lancerderayon (raytracing, dont est dérivé le raycasting), simulant le parcours inverse de la lumière de la scène vers l'oeil. Cette technique permet de simuler relativement facilement les phénomènes physiques que sont réflexion et réfraction ainsi que les ombres portées mais crée des scènes trop pures et irréalistes. Dans ce cas, la projection est réalisée en même temps que le dessin car tracer un rayon implique de le projeter dans la scène 3D.

I.3. Quelques types de modélisation 3D [8]

I.3.1. Modélisation à partir d'exemples

Les méthodes de modélisation à partir d'exemples permet de réutiliser des modèles existant, et de construire un modèle existant par assemblage. Contrairement à la géométrie de construction de solides, les primitives ne sont pas des objets géométriques simples (cône, cylindre, cube, etc.) mais des sous-partie de polyèdres. Le résultat final est donc un polyèdre, et la surface ainsi obtenue peut-être une variété, ou non.

Les méthodes de modélisation à partir d'exemples font appel à des algorithmes de recherche au sein d'une base de données de modèle 3D et d'assemblage de maillage.

a. Avantage

ü La modélisation à partir d'exemple permet de créer des polyèdres donc les algorithmes de rendu pour ce type de données sont toujours adaptés.

ü Le temps de création d'un modèle 3D est réduit, puisque le maillage final est obtenu par assemblage de maillages existant.

ü Le processus de modélisation est aussi simplifié, ce qui permet à un plus grand nombre d'utilisateurs de créer des données 3D.

b. Inconvénients

ü De manière analogue à l'échantillonnage en musique, la réutilisation de données existantes pose des questions en matière de propriété intellectuelle et de copyright.

ü La qualité des maillages obtenus est directement dépendante du matériau de base, notamment en matière de résolution et de topologie.

I.3.2. Modélisation par courbes (NURBS)

La modélisation par NURBS (Non uniform rational basic spline/Spline basique rationnelle non uniforme) consiste en un réseau de courbes créé grâce à des points de contrôles (control vertices). L'interpolation des courbes entre ces points peut se faire automatiquement selon un algorithme NURBS, par la manipulation de tangentes de courbedeBézier, ou encore par modification des paramètres d'interpolation.

La modélisation par courbe se base sur un maillage adaptatif, conçu pour adapter ses subdivisions à la complexité des courbes dans une région donnée. Une surface parfaitement plane aura un nombre de subdivision très faible ou nul. C'est la technique de modélisation la plus précise. C'est la raison pour laquelle elle est massivement utilisée en architecture et en CAOindustrielle, lorsque le souci de précision prime (notamment lorsque les modèles 3D servent de référence pour les machines-outils).

I.3.3. Modélisation par subdivision de surface

Cette méthode regroupe deux méthodes classiques (polygonale et NURBS). Elle consiste à accélérer le processus grâce à la subdivision automatique d'une partie de la surface. Ceci permet d'ajouter des détails à certains endroits uniquement, sans se soucier du nombre de faces comprises sur la globalité de l'objet.

Elle se rapproche de la modélisation polygonale par les techniques employées lors de la création de la forme, et de la modélisation par NURBS en ce qui concerne le rendu de la surface, c'est-à-dire son arrondi.

Elle est présente dans de nombreux logiciels professionnels (Blender, Maya, 3ds Max, Lightwave, Softimage, Modo...).

I.3.4. Modélisation de construction de solides

En infographie, la modélisation de construction de solides n'est rien d'autre que la géométrie de construction de solides (CSG en anglais: "Constructive Solid Geometry") qui est juste une branche de la modélisation des solides.

ü La B-Rep ("Boundary Représentation" dite aussi "modélisation surfacique").

a. Avantages

La géométrie de construction de solides permet d'accélérer les calculs qui peuvent se baser sur des volumes plutôt que sur les polygones.

ü Cette méthode de modélisation est assez adaptée au lancer de rayon car ce dernier travaille principalement par intersection de demi-droites avec des volumes mathématiques, et permet des calculs allégés. Par exemple, l'intersection d'une droite avec une sphère est plus facile qu'avec un ensemble de polygones approchant la forme de la sphère.

ü De façon plus étendue, la géométrie de construction de solides accélère tous les calculs de projection : clipping, culling, ombres... Il est en effet plus rapide de projeter un polygone formé par les arêtes d'un solide que de projeter les polygones du solide.

ü Les calculs de collision entre deux solides convexes sont très rapides, il suffit de tester si au moins un des deux à un point inclus dans l'autre.

ü Le calcul d'éventuelles réflexions ou réfractions à l'intérieur des volumes est facilité car on connaît précisément les équations décrivant la surface du volume, en particulier la normale et la tangente.

b. Inconvénients

ü La liberté de modélisation est restreinte par les possibilités de créer le volume désiré par un ensemble d'opérations. De plus les formes présentes dans le monde réel sont peu ou pas géométriques et même un ballon n'est pas parfaitement sphérique lorsqu'il est posé sur le sol.

ü On peut facilement arriver à des hiérarchies d'opérations très complexes qui vont alourdir les calculs de rendu.

ü Le nombre de primitives disponibles va directement influer sur l'algorithme de rendu car ce dernier doit savoir les prendre toutes en compte ce qui peut alourdir son écriture.

I.3.5. Modélisation Volumique

Quand on parle de la modélisation volumique, on fait allusion au voxel (mot-valise, créé par analogie du mot pixel, en y contractant « volume » et « element »).

Quand on parle de voxel, on sous-entend un pixel en 3D. Il consiste à stocker une information colorimétrique avec ses coordonnées spatiales, voire temporelles, de positionnement ainsi que, facultativement, une taille relative à l'unité utilisée ou d'autres informations telles qu'une matière. Il s'inscrit plus généralement dans des espaces matriciels, bien que les espaces vectoriels lui soient favorables. On notera que ses coordonnées spatiales peuvent être polaires.

Le point faible du format (par rapport à la 3D vectorielle) est de nécessiter énormément de ressources, tant pour le stockage que pour le rendu qui ne bénéficie pas d'accélération matérielle. Cependant, des algorithmes de compression traditionnels à l'imagerie numérique ou l'informatique peuvent être employés sans difficulté.

Le voxel est principalement utilisé pour le rendu des terrains dans les jeux vidéo (Outcast étant un de ses grands représentants) en utilisant une heightmap combinée avec un Y-Buffer. La technique consiste à afficher le terrain colonne par colonne en ne prenant en compte que les voxels dont la hauteur est supérieure au Y-Buffer, ce dernier prenant comme valeur la hauteur de la dernière colonne affichée. Les parties non visibles de la scène sont ainsi tout simplement ignorées lors du rendu, ce qui offre un fort gain de ressources.

Une des optimisations les plus remarquables offerte par le voxel apparaît lorsque l'on passe de l'utilisation d'une matrice de voxel à l'utilisation d'un arbre ayant comme racine chaque voxel et dont chaque noeud père est un voxel faisant la moyenne de ses fils (couleur, texture). Plusieurs optimisations apparaissent alors :

ü Premièrement, si un noeud contient plusieurs fils ayant toutes les mêmes caractéristiques (couleur, texture), alors il est possible de les supprimer sans perdre en détail ;

ü Deuxièmement, le niveau de détail peut être géré très facilement en parcourant en profondeur l'arbre et en s'arrêtant dès que la taille du voxel est inférieure à la taille d'un pixel.

Ces deux optimisations permettent un gain de mémoire mais surtout une vitesse d'affichage équivalent quel que soit le niveau de détail de l'objet, son gros désavantage étant son coût lors de la modification de l'arbre qui devient alors énorme là où une matrice le gérerait aisément. Le dessin par triangle reste donc le plus courant dans les moteurs 3D.

ü WinUFO et SimUFO. Il existe un applet Java pour tester WinUFO en ligne. SimUFO permet d'éditer directement le paysage dans le programme ;

ü Auto-montage est un moteur hybride de 3D temps réel de nouvelle génération destiné aux jeux vidéo gérant la géométrie tant en voxel qu'en vectoriel, la physique et l'éclairage.

I.3.6. Modélisation Paramétrique

La modélisation paramétrique vous fait voir un mode de fonctionnement des logiciels de conceptionassistéeparordinateur actuels. Elle n'est rien d'autre que la conception paramétrique. Il s'agit de définir une entité par des paramètres qui peuvent être modifiés facilement. De cette façon, on change aisément la définition de la pièce.

Les paramètres peuvent être de plusieurs types : intrinsèques (longueurs, angles), cartésiens (coordonnées par rapport à un repère), situationnels (distance, angle entre 2 éléments)

Et quand on parle d'une contrainte, on sous-entend un paramètre que l'on ne veut pas pouvoir modifier.

a. Fonctions

Les logiciels de CAO paramétrique se caractérisent par la présence d'un historique. Cet historique est généralement représenté sous la forme d'un arbre reprenant les différentes opérations effectuées, appelées fonctions (feature en anglais, d'où l'appellation anglaise Parametric feature based modeler). Ces fonctions sont généralement créées à partir d'esquissesvariationnelles.

b. Logiciels de CAO utilisant la conception paramétrique

I.4. Quelques logiciels de modélisation tridimensionnelle [9]

Un logiciel de modélisation 3D, ou modeleur 3D, est un logiciel qui sert à créer des scènes 3D, composées de formes complexes, ou objets, en trois dimensions à partir de primitives de bases ou de définition analytique.

Les logiciels de modélisation 3D se basent essentiellement sur la manipulation de formes de base dans un espace tridimensionnel sur trois axes généralement notés X, Y, Z. Ces formes de base utilisées peuvent être des cubes, des sphères ou des cônes, mais aussi des courbes de Bézier ou des NURBS. L'utilisateur peut en ajouter ou en enlever à volonté.

I.4.1. SketchUp

SketchUp est un logiciel 3D à la fois puissant et facile à apprendre. On le considère un peu comme le crayon du dessin numérique. Ce logiciel maintes fois primé rassemble un ensemble d'outils à la fois simples et complets qui permettent de rationaliser et de simplifier le dessin en 3D sur votre ordinateur. SketchUp est utilisé par tous ceux qui souhaitent rêver, concevoir et communiquer en 3D.

Il est disponible en versions personnelles et professionnelles. Google SketchUp (gratuit) est disponible gratuitement sur sketchup.google.com.

Pour ceux qui veulent la version Professionnel, il est en vente sur le site http://sketchup.google.com/gsu6/buy.html.

ü Exporter des modèles dans les formats de fichiers 3DS, DWG, DXF, OBJ, XSI, VRML et FBX ;

ü Utiliser des outils de mise en page pour créer des pages et des présentations sur écran de vos modèles ;

ü Bénéficier d'une assistance technique par e-mail pendant deux ans après votre achat.

L'interface de SketchUp est ainsi plus proche d'un Illustrator que d'un logiciel de 3D classique : on se surprend à ajouter, modifier ou déplacer des formes à sa guise.

I.4.2. Blender

Blender est un excellent logiciel libre truffé d'outils de pointe en termes de modélisation, de rendu, d'animation 3D et même de montage vidéo.

a. Points forts

b. Points faibles

ü Le logiciel est un peu difficile d'utilisation au début. Eh oui, Blender n'est pas en français et il est un peu dégoutant quand on l'utilise les premières fois.

I.4.3. FreeCAD

FreeCAD est une application open source de modélisation 3D paramétrique, conçue principalement pour concevoir des objets de la vie courante. La modélisation paramétrique décrit un certain type de modélisation, où la forme des objets 3D que vous concevez est contrôlée par des paramètres. Par exemple, la forme d'une brique peut être contrôlée par trois paramètres: hauteur, largeur et longueur.

Dans FreeCAD, comme dans d'autres modeleurs paramétriques, ces paramètres font partie de l'objet et restent modifiables à tout moment après la création de l'objet. Certains objets peuvent avoir d'autres objets comme paramètres, par exemple, vous pourriez avoir un objet qui prend notre brique comme entrée et crée une colonne à partir de celle-ci. Vous pouvez voir un objet paramétrique comme un petit programme qui crée les géométries voulues à partir de paramètres.

Liste de logiciels de modélisation 3D
Orientation	Nom	Licence
	3DReshaper	Propriétaire
	3D Turbo	Propriétaire
	Aartform Curvy 3D	Propriétaire
	AC3D (en)	Propriétaire
	Art of Illusion	FLOSS
Dessin technique	AutoCAD	Propriétaire
Scène	Autodesk 3ds Max	Propriétaire
	Autodesk Maya	Propriétaire
	Autodesk Softimage	Propriétaire
Scène	Blender	GPL
	BlockSCAD
	CATIA	Propriétaire
	Ceetron 3D Components	Propriétaire
	Cheetah3D (en)	Propriétaire
	Cinema4D	Propriétaire
	DAZ 3D (en)	Propriétaire
	Electric Image Animation System (en)	Propriétaire
	Flux (software) (en)
Dessin technique	FreeCAD	LGPL2+
	Hexagon	Propriétaire
	Houdini	Propriétaire
	ImplicitCAD
Mathématiques	K3DSurf	GPL2
Dessin technique	LibreCAD	FLOSS
	LightWave 3D	Propriétaire
Humains	MakeHuman	FLOSS
Fractales	Mandelbulb3D	FLOSS
Fractales	Mandelbulber	FLOSS
Mathématiques	MathMod	FLOSS
	MASSIVE	Propriétaire
	MikuMikuDance
	Mixamo	Propriétaire
	Multigen Creator	Propriétaire
	Modo	Propriétaire
	OpenFX
	OpenSCAD	FLOSS
	Poser	Propriétaire
	Remo 3D (en)	Propriétaire
	Rhinoceros 3D	Propriétaire
	Sculptris (en)	Freeware
	Seamless3d (en)	FLOSS
	Sensable Freeform	Propriétaire
	Shade 3D (en)	Propriétaire
	Silo	Propriétaire
	Sketchup (Trimble)	Propriétaire
	SOCET SET (en)	Propriétaire
	SolidWorks	Propriétaire
Fractales	Structure Synth	FLOSS
	Swift 3D (en)	Propriétaire
	Tekla Structures (Trimble)	Propriétaire
	TeoWin	Propriétaire
Objet	TopMod	FLOSS
	TrueSpace (en)	Propriétaire
	Wings 3D	FLOSS
	ZBrush	Propriétaire
	ZW3D	Propriétaire

La pratique sans théorie est comparable à un maçon qui veut construire une maison sans le plan. Connaissant 3D, nous devons maintenant la mettre en pratique en utilisant un langage de programmation qui y va ensemble avec le 3D. Alors, dans le chapitre suivant, nous allons voir comment faire cette programmation avec les logiciels de modélisation 3D.

Chap II. Programmation 3D

II.1. Introduction

Dans le chapitre précédent, nous avons parlé de la généralité sur la modélisation 3D. Etant informaticien, la généralité sans pratique ; ne nous ramène à rien. Voilà pourquoi nous abordons ce chapitre dans lequel on va donner les éclaircissements sur ce que ce la programmation 3D. Elle se défini comme étant effet d'établir ou de réaliser un programme.

En outre, pour bien faire notre programmation, on doit bien comprendre la nuance qu'il y a dans les différents types d'algorithme de base pour la programmation 3D à savoir :

En plus de ça, on doit connaitre quelques bibliothèques qui permettent à ce qu'on puisse effectuer cette programmation. Il en a plusieurs mais quand à ce chapitre, nous avons choisi les plus utilisé et les plus fréquenté par les développeurs en 3D. Entre autre :

II.2. L'algorithme de base deux dimensions [5]

Parlant de l'algorithme 2D, on ne traite que des moyens d'effectuer le dessin des éléments graphiques de base sur une grille discrète (Ecran d'ordinateur). Ces moyens en deux dimensions sont celles qui sont utilisées pour l'affichage de tout objet graphique.

La représentation d'un objet en trois dimensions n'est faite qu'après sa projection sur le plan 2D de l'image, et se finalise donc par un ensemble de primitives (Dessin) en deux dimensions. Il est donc important de disposer d'algorithmes trop efficaces. Etant dans le 2D, on a deux axe : x et y.

II.2.1. Traçage de droite [5,9]

a. Algorithme Simple

C'est la meilleure des algorithmes pour la représentation de la droite (y=ax+b avec x se trouvant à l'intervalle des points du plan).

b. Algorithme de Bresenham (ou algorithme du point milieu)

L'algorithme de Bresenham est un algorithme qui permet à ce qu'on puisse avoir une itérative de pixel suivant la façon à minimiser l'erreur avec le segment continu, partant du pixel pi₀, j₀.

On considère le cas où 0 <a<1 et i₀<i₁. Alors, si pi, j est un pixel se déplaçant sur le segment discret partant de pi₀, j₀ et allant vers pi₁, j₁, sa position suivante est soit pi+1, j (il avance horizontalement), soit pi+1,j+1 (il avance en diagonale). L'algorithme suivant n'utilise des opérations que sur les entiers, et correspond au cas où 0 <a<1.

II.2.2. Remplissage

Le remplissage d'une courbe fermée discrète consiste à allumer les points de l'écran qui correspondent à la partie de l'espace discret délimitée par cette courbe. Nous présentons le cas où la courbe est un polygone à n sommets{Pi} avec i=1...n.

L'algorithme de remplissage consiste alors à partir du point le plus à gauche et à suivre la suite des segments qui composent le polygone jusqu'au point le plus à droite.

a. Remplissage d'un polygone convexe

Dans le cadre de 2D, pour la représentation de ce dernier, on utilise l'algorithme suivant :

Pi = le plus à gauche des sommets. SH le segment montant qui part de Pi. SB le segment descendant qui part de Pi. x = l'abscisse de Pi.

(a) Mettre à jour les segments SH et SB (si on atteint l'extrémité droite du segment, on passe au segment suivant). (b) Calculer l'ordonnée yH du point d'abscisse x sur le segment SH. Calculer l'ordonnée yB du point d'abscisse x sur le segment SB. (c) Tracer le segment vertical reliant (x,yB) à (x,yH). (d) Incrémenter x de 1.

3. Tant que x n'a pas atteint l'ordonnée du point le plus à droite du polygone.

b. Remplissage d'un polygone quelconque

Quand le polygone n'est plus convexe, sa forme peut devenir très complexe. Dans ce cas on ne gère plus séparément les segments inférieurs et supérieurs mais on détermine à chaque étape la liste des intersections de l'ordonnée courante avec le polygone (en comptant double l'intersection avec un sommet). En partant du bord, on trace les segments reliant les intersections paires aux intersections impaires.

(a) calculer la liste des intersections avec le polygone et trier cette liste (on note 2nx le nombre de ces intersections et{(x,ui)}i=1..2nx la liste triée)

(b) tracer les nx segments qui relient (x,u2i) `à (x,u2i+1) (i va de 0 ` a nx -1). (c) Incrémenter x de 1.

3. tant que x n'a pas atteint l'ordonnée du point le plus à droite du polygone.

II.2.3. Clipping

251654144Dans cette partie, on ne s'intéresse qu'au problème du clipping d'un segment par un rectangle.

Figure II.4: Ensemble de droites. La zone de clipping est déterminée par les droites en pointillés.

Pour le résoudre, on utilise l'algorithme de Cohen-Sutherland. Et l'algorithme renvoie la partie du segment incluse dans le rectangle et rien si le segment n'en fait pas partie. Et voici son algorithme :

2. si B1 =0et B2 =0alors retourner P1, P2. sinon si B1&B2 =0 alors retourner rien. sinon

1. si le 1er bit de B =1 alors P =intersection du segment [Pd,Pf] avec x = xmin.

2. si le 2`eme bit de B =1 alors P =intersection du segment [Pd,Pf] avec x = xmax.

Note : L'Algorithme de Cohen-Sutherland peut se généraliser en 3D en utilisant des plans à la place de droite. Une de ses utilisations pratiques est de simplifier (après rejet trivial) la géométrie à l'extérieur du cône de vision pour ne conserver dans la chaîne de traitement que les polygones observables ou partiellement observables. La définition des plans associés au cône de vision sera détaillée dans le point suivant.

II.3. L'algorithme en trois dimensions

En ce qui concerne les algorithmes trois dimensions, nous pouvons les classifier à deux. A savoir :

ü La base des algorithmes de clipping 3D (Le clipping est une phase préparatoire de l'affichage ou du rendu dont le but est d'éliminer le plus grand nombre de polygones possible afin de minimiser la quantité objet géométrique à manipuler lors des phases d'affichage à suivre).

ü Les algorithme d'élimination des faces cachées des polygones présents dans une scène. Le mixage de ses algorithmes se fait avec la méthode de rendu, qui est présenté dans le premier chapitre.

II.3.1. Clipping 3D [5,7]

Le but du clipping en pratique est de se débarrasser du plus grand nombre de polygones possibles pour ne se concentrer que sur ceux effectivement visibles par l'observateur, en restreignant éventuellement ceux qui ne sont que partiellement visible.

Il s'avère que les algorithmes vus dans le cas bidimensionnel peuvent être facilement adaptés dans le cas tridimensionnel moyennant quelques astuces :

ü Pour le 3D, la zone Clipping n'est plus déterminé par des droites mais plus tôt par un ensemble des plans (5 à 6 plans).

§ Un plan (optionnel) correspondant à la limite du champ de vision au-delà de laquelle les objets seront considérés comme trop loin pour pouvoir être observé. Si L est cette distance, le plan z = L représente la barrière.

ü Pour le 3D, l'algorithme de Cohen-Sutherland permet de de relier un polygone et un plan. Il a aussi comme importance de transforme la perspective des objets.

Comparaison entre Clapping 2D et 3D

Avec cette étude comparative, tout est maintenant facile pour appliquer l'algorithme de Cohen-Sutherland dans le 3D (Les droites vont être représenté comme des plans).

II.3.2. Elimination des faces cachées

L'algorithme avec élimination des faces cachées, est subdivisé en deux sous algorithme :

a. Algorithme du peinture

L'idée de cet algorithme consiste à utiliser la technique d'un peintre pour représenter une scène : il peint tout d'abord les objets de l'arrière-plan pour terminer par les objets qui sont les plus près (au premier plan).

En pratique, on l'applique sur des objets plats (des facettes ou des polygones dont les points sont coplanaires) afin de limiter les problèmes pouvant survenir lors du tri. On en distingue deux :

ü L'algorithme de peinture : Affiche une scène avec parties cachées contenant n polygones{Pk}k=1..n. On note Iij l'intervalle du plan de projection correspondant au pixel (i,j), etI(i,j) l'intensité de l'image à ce pixel. Voici l'algorithme :

(a) Calculer la projection P^' du polygone Pk dans le plan de l'image. (b) Pour tous les intervalles Iij intersectant P^', Affecter à I(i,j) l'intensité de la partie du polygone P se projetant en Iij nP^'. 4. Renvoyer I

Note : On remarque que si l'intensité de la partie polygone IijnP^' est calculée grâce à un rendu, alors ce rendu sera fait en chaque point de l'objet, sans savoir s'ils sont effectivement visibles ou non. Une solution consiste à dessiner les polygones en commençant par les plus proches et à ne peindre que les pixels qui n'ont pas déjà été peints. C'est à partir de l'algorithme à peinture inverse que nous aurons la réponse favorable.

ü L'algorithme à peinture inverse : la différence avec l'algorithme à peinture, c'est juste au niveau de l'algorithme et de l'affichage. Voici son algorithme :

image PEINTREINVERSE(entier n, liste de polygones{Pk}k=1..n) 1. Trier les polygones{Pk}de l'avant vers l'arrière.

3. Initialiser le masque M des pixels déjà peints à faux : M(i,j)=faux pour tout i,j. 4. Pour k allant de 1 à n

i. Affecter ` a I(i,j) l'intensité de la partie du polygone P se projetant en Iij nP'.

Cet algorithme utilise le tri pour classer les objets fait à ce qu'il ne soit pas plus rapide.

b. Algorithme du tampon de profondeur (Z-buffer)

Cet algorithme permet d'afficher une scène avec parties cachées contenant n polygones{Pk}k=1..n. On note Iij le carré de la grille dans le plan de projection correspondant au pixel (i,j), etI(i,j) l'intensité de l'image à ce pixel.

affecter à I(i,j) l'intensité de la partie du polygone P se projetant en Iij nP.

II.4. Quelques Bibliothèques de programmation et modélisation 3D

Comme on l'a dit à l'introduction, sur cette partie, nous allons parler de trois outils en faisant la présentation de ses diverses caractéristiques, leurs implémentations et si possible donner quelques exemples de leurs utilisations.

II.4.1. DirectX

a. Caractéristiques

Le DirectX est nommé Game SDK. Par définition, DirectX est un ensemble de composants développés par Microsoft pour fournir aux applications Windows (jeux, applications multimédia, ...) un accès temps-réel et haute-performance au matériel disponible sur le système où elles sont exécutées.

Il se place entre l'application et le matériel (carte graphique, carte son, etc...) formant une « surcouche » de Windows, évitant théoriquement aux programmeurs de devoir s'occuper des différences matérielles qui existent entre les différents PCs.

De nombreuses versions ont été développées jusqu'à ce jour puisque nous sommes actuellement à la version 12 et que Microsoft travaille toujours sur la prochaine version, DirectX 13, qui sera normalement intégrée au prochain OS.

DirectX est la propriété de Microsoft qui possède tous les droits. Le produit n'étant pas libre, les sources ne sont pas rendues publiques, contrairement à OpenGL. Malgré cela, il devient un outil incontournable dans le domaine du développement de jeux vidéo sous Windows, Microsoft passant des accords technologiques avec les constructeurs de cartes 3D grand public.

b. Implémentation

DirectX peut être implémenté en C, C++, C#, et Visual Basic, et ne peut évidemment n'être développé que sous Windows. La technologie DirectX fournit un ensemble de fonctions qui forment une interface entre le matériel et le logiciel.

Deux couches ont été définies, HAL (Hardware Abstraction Layer) fournit l'interface de plus bas niveau avec le matériel (accélérateur graphique) en masquant la spécificité de chaque carte graphique sous une APIstandard et HEL (Hardware Emulation Layer) permet à ce qu'une fonction de base ne serait pas "câblée".

Les Fonctions Utilisant DirectX

DirectX se décompose en fonctions gérant chacune un aspect de la liaison entre le logiciel et le matériel:

ü DirectDraw : qui assure l'affichage de formes géométriques à l'écran par la carte vidéo. Il tient aussi le rôle de moteur 2D primaire.

ü DirectSound : permet la manipulation d'échantillons sonores numérisés à partir de n'importe quelle carte son.

ü DirectMusic : synthétiseur logiciel pouvant tirer parti de la présence de puces dédiées à la synthèse sonore. Ce service permet d'obtenir une restitution de très haute qualité notamment à travers Internet.

ü DirectPlay : qui permet de gérer une partie des aspects réseaux que l'on retrouve de plus en plus fréquemment dans les jeux. Le module travaille comme une couche supplémentaire au-dessus des protocoles réseaux formels.

ü DirectInput : qui interface les périphériques d'entrée manipulés par l'utilisateur (claviers, souris, joysticks, joypads, etc... ). Il permet également la gestion des controleurs à retour de force.

ü DirectSetup : qui fournit l'installation automatisée des pilotes de DirectX et la vérification de la version installée.

ü Direct3D : qui est le moteur de rendu 3D à proprement parler fournissant des services élémentaires afin de faciliter le travail aux applications dans la création de scènes 3D. Direct3D fournit des transformations géométriques (rotations, perspectives, projections, clipping 3D, etc... ) basées sur des opérations matricielles (4x4). Le système maintient plusieurs systèmes de coordonnées : le port d'affichage, la vue 2D et le monde 3D, permettant à l'application de passer aisément de l'un à l'autre.

c. Exemple

DirectX n'est utilisé que pour le développement de jeux vidéo même si de nombreuses applications comme les outils de CAO (encore et toujours!) commencent à présenter une implémentation de DirectX en plus d'OpenGL. Une des plus grosses boites de développement utilisant grandement DirectX est UbiSoft dont le dernier moteur, utilisé pour le jeu SplinterCell, est celui d'Unreal (cité plus haut dans la section OpenGL) mais rendu compatible DirectX12 et prenant donc en compte les dernières implémentations de PixelShader3.0 et autres.

II.3.2. OpenGL

a. Caractéristiques

OpenGL (Open Graphics Library) est une spécification qui définit une API multiplateformes pour la conception d'applications générant des images 3D (mais également 2D).

Elle a vu le jour en 1992 pour succéder à la bibliothèque de Silicon Graphics IRIS GL (SGI) qui était alors un standard pour les ingénieurs, créateurs d'effets spéciaux donc tout ce qui touche de près ou de loin à de la CAO (Conception Assistée par Ordinateur).

L'expérience de SGI dans ce domaine a fait d'OpenGL une interface facile d'utilisation, intuitive et surtout portable. Dans cette équipe qui travaillait à l'origine sur une version similaire à l'INRIA se trouvait le très célèbre Bui Tuong Phong créateur de l'algorithme d'interpolation pour le lissage d'ombres.

Le projet Fahrenheit, initiative de Microsoft et de SGI, tenta d'unifier les interfaces OpenGL et Direct3D. Celui-ci apporta au début l'espoir de mettre de l'ordre dans le monde des APIs 3D, mais pour des contraintes financières de la part de SGI, le projet dût être abandonné. OpenGL est géré par un consortium OpenGL Architecture Review Board (appelé également ARB) qui détermine donc les modifications, ajouts et évolutions de la norme OpenGL.L'ARB est composé de membres volants tels que ATI, Nvidia, IBM, Intel, Sun, 3DLabs auquel s'ajoutent des membres participants tels que Matrox ou encore Id-Software. Microsoft, l'un des membres fondateurs, s'est retiré du consortium en mars 2003.

b. Implémentation

La version actuelle d'OpenGL est la version 4.5 et la dernière mise à jour a eu lieu le 01/08/2016. OpenGL fonctionne sur toutes les plateformes UNIX, sur les machines Windows, et MacOs, ainsi que sous OS/2, OPENStep, AmigaOS, ou BeOS. Il fonctionne avec la majorité des Interfaces graphiques: Win32, MacOS, Présentation Manager, ou Xwindows et peut etre utilisé en Ada, C, C++, Fortran, Python, Perl et Java.

OpenGL fonctionne à partir d'un ensemble de variables d'états définissant le contexte GL, ces variables peuvent être modifiées par les fonctions glEnable et glDisable.

Les Fonctions Utilisant DirectX

ü init() : appelée après l'initialisation du contexte GL, permet d'initialiser les données du programme.

ü cleanup() : appelée après la destruction du contexte GL pour «nettoyer» le programme.

c. Exemple

Ici, nous donnerons quelques exemples d'applications utilisant OpenGL. Le domaine dans lequel on retrouve le plus fréquemment cette librairie est évidemment le domaine des jeux vidéo.

En effet, nombres d'entre eux utilisent OpenGL pour développer leur propres moteurs 3D, à titre illustratif :

ü 3DStudioMax : Tout comme Lightwave3D, il permet une émulation de Direct3D mais son rendu OpenGL est préférable. Il est très utilisé par les développeurs de jeu pour sa simplicité d'utilisation.

Figure II.7: Exemple de l'image produit par 3DStudioMax grace à OpenGL [9]

ü Le moteur de Quake : développé par IdSoftware en 1996 utilise également OpenGL. Il est le premier à être entièrement en 3Dimensions, à utiliser des lumières temps réelles non simulées comme dans Doom et peut lui-même être modifié à volonté grâce au QuakeC, langage de programmation interprété semblable au langage C. QEngine est aujourd'hui encore en évolution et va proposer sa 4ème évolution sous peu.

Figure II .8: Exemple de l'image produit par le moteur de Quake grace à OpenGL [9]

II.3.2. Java3D

a. Caractéristiques

Java3D actuellement à la version 1.5.2, est une bibliothèque de classes destinée à créer des scènes 3D (utilisation de formes complexes, d'éclairages, de textures, d'animations, de sons ...) développée par SunMicrosystem en 1998. Contrairement à OpenGL et DirectX qui ont chacun leur implémentation, Java3D possède un support natif OpenGL, DirectX et QuickDraw3D. Mais pourquoi développer Java3D alors qu'existe déjà OpenGL et DirectX ? Le but est de faciliter la programmation en disposant de fonctions de haut niveau ainsi que de permettre l'écriture d'applets contenant des scènes 3D. Java3D est aussi justifié par la portabilité de Java, ainsi une application ou applet peut être lancée avec le même code compilé dans toutes les plateformes ou Java3D existe (actuellement Solaris, SGI, HP-UX, Linux et Windows).

b. Implémentation

Java3D est une extension du langage Java destinée à créer des scènes 3D. Il se présente sous la forme d'une bibliothèque de classes (packages J3D). Comme indiqué plus haut, Java3D utilise OpenGL ou DirectX pour fonctionner, rajoutant un niveau d'abstraction entre les bibliothèques 3D de base et le logiciel:

Figure II.9 : Abstraction entre les bibliothèques 3D de base et le logiciel.

Java3D utilise la classe Transform3D pour gérer les opérations de Translations, Rotations et Homotéties. Cette opération est associée à une instance de la classe TransformGroup, puis ajoutée à l'arbre de la scène pour l'appliquer sur une forme. Il existe trois modèles de rendu pour Java3D permettant d'espérer des optimisations conduisant à l'amélioration de la vitesse d'affichage :

ü Immediate Mode: Permet d'utiliser ou non la structure graphe de scène inhérente à l'API Java 3D. Plus flexible mais moins performant.

ü Retained mode : Tous les objets définis dans le graphe de scène accessibles et manipulables par programme, par sélection, ... Optimisation de la vitesse de rendu par réalisation automatique d'optimisations par Java3D.

ü Compiled-Retained mode : Meilleures performances de rendu par optimisation poussée, mais perte de la flexibilité de programmation liée aux possibilités d'accès et de modification des objets.

On notera enfin pour terminer sur Java3D qu'il existe une methode compile() de la class BranchGroup permettant d'optimiser le sous-arbre de ce BranchGroup.

c. Exemple

Peu d'applications industrielles sont développées avec Java3D. On observe plutôt des applications individuelles, du fait de la simplicité d'utilisation. Par exemple Java3D est très utilisée pour la création d'applets des sites scientifiques (représentations de molécules, simulations physiques, ...).

II.4. Etude comparatif des bibliothèques

Cette étude a pour but de comparer les trois outils de développement que nous avons choisi tout d'abord en présentant leurs avantages et inconvénients (possibilités/limites, facilité d'utilisation, portabilité, ...).

Avantages/Inconvénients

1. Possibilités Techniques

La première différence entre ses outils est : Java3D se situe à un niveau supérieur à OpenGL et Direct3D, utilisant d'ailleurs ces deux API pour son implémentation.

Partant de l'historique OpenGL et DirectX se sont développées en parallèle, les innovations des uns étant rapidement suivi d'une réponse du concurrent. Aujourd'hui, les différences de possibilités sont minimes entre les deux API; les dernières versions (DirectX12, et OpenGL 1.5) prennent en compte toutes les fonctionnalités classiques des moteurs 3D.

Au niveau des lumières et ombres avec calcul automatique des normales, différents effets de brouillard, possibilité d'utiliser des buffers spécialisés pour gérer les effets de réflexion et de motion blur, et aussi possibilités d'éclairage dynamique des textures par vertex ou pixel shader.

Au niveau des textures, possibilités de textures 2D et 3D, mipmapping, transparence de textures et multi-texturing. Les deux API permettent également l'utilisation de structures de données facilitant l'accès aux modèles3D (vertexarray); OpenGL fournit également des DisplayList hiérarchiques pouvant contenir la plupart des commandes de changement d'état et de primitives graphiques tandis que Direct3D fonctionne avec des buffers de sommets (vertex buffers) non-hiérarchiques pour avoir un cache mémoire de géométrie et des blocs d'états (state blocks) pour avoir un cache de changements d'état.

Les deux normes facilitent également les optimisations, avec l'implémentation du Zbuffer (qui cependant en DirectX n'est pas indépendante du matériel) et l'utilisation possible de cullface. Enfin Direct3D, contrairement à OpenGL, ne fournit pas de mécanisme de gestion des courbes et surfaces paramétriques (NUR

La programmation avec Java3D est bien différente de celle avec OpenGL et DirectX. En effet, ces derniers proposent une implémentation de plus bas niveau qui permettent aux développeurs de gérer le moindre pixel de leurs moteurs alors que Java3D possède des fonctions de plus haut niveau, certes plus faciles d'utilisation mais aussi plus limitées. Il est ainsi très difficile par exemple d'implémenter des optimisations ou des effets comme le pixel shader en Java3D.

L'avantage de ces fonctions de haut niveau est que le développement d'applications est beaucoup plus facile. Par exemple il existe dans les package de Java3D des fonctions permettant de détecter si deux objets sont en collision, ce qui n'est pas le cas avec OpenGL ou DirectX ou l'on doit tout faire « à la main », ce qui dans ce cas est loin d'être évident.

De plus, Java3D existe dans deux versions, une OpenGL et une DirectX, l'utilisateur peut donc choisir d'utiliser son programme avec l'un ou l'autre des moteurs de rendu. Quand vous utilisez une version OpenGL de Java 3D, certaines fonctionnalités de l'API font appel à des méthodes natives de la DLL Java 3D/OpenGL. Ces méthodes elles, utilisent des fonctions de la DLL OpenGL du système qui utilise l'accélérateur graphique disponible sur la carte graphique. Pour terminer sur les caractéristiques techniques de Java3D, il est important de préciser que cette librairie peut tout à fait utiliser toutes les fonctionnalités du langage Java, ainsi il peut être très utile d'utiliser les packages AWT ou SWING pour l'interface graphique ou encore le package IO pour les entrées/sorties. A noter également que Java3D utilise un package VECMATH pour le calcul vectoriel et matriciel très utilisé dans les moteurs 3D.

2. Facilité d'utilisation

Le premier critère que nous considérerons en terme de facilité d'utilisation est la portabilité :

ü DirectX n'est utilisable que sous Windows, et pour sa dernière version (DirectX12) que sous les versions de Windows supérieures à Win98.

ü Java3D quant à lui est développable sous Solaris, SGI, HP-UX, Linux et Windows.

ü Quand à OpenGL, des implémentations existent sur toutes les plateformes UNIX, sur les machines Windows, et MacOs, ainsi que sous OS/2, OPENStep, AmigaOS, ou BeOS.

C'est donc OpenGL qui est la norme la plus disponible en nombre de systèmes. DirectX12 est entièrement sous le contrôle de Microsoft tandis que Java3D est développé par SunMicrosystem, seul OpenGL dépend d'un consortium OpenGL Architecture Review Board (appelé également ARB) composé par des membres de différentes sociétés (notamment ATI, Nvidia, IBM, Intel, Sun, 3DLabsMatrox ou Id-Software).

Si le fait d'être développé par une seule entreprise permet d'accélérer les décisions (pas besoin de décider d'un compromis entre différent partis), l'influence des créateurs de cartes graphiques, ou de membres de l'industrie utilisant OpenGL, au sein de l'ARB semble fournir une normalisation plus équitable (la norme s'adaptant au possibilités techniques et aux besoins de l'industrie). Le nombre de langages de programmation dans lequel une norme est disponible influe également sur la facilité d'utilisation, le programmeur préférant généralement développer dans le langage qui lui est le plus familier.

DirectX comme précisé plus haut, est la propriété de Microsoft, il n'existe donc qu'une seule implémentation, et la norme se limite au langage C++, Visual Basic et bien sûr C#. Java3D se présentant comme une extension de Java n'est disponible qu'en Java.

Enfin OpenGL étant libre, de nombreuses implémentations existent (parfois plusieurs implémentations pour un même langage comme par exemple JOGL et JLWGL pour Java) rendant la norme disponible en Ada, C, C++, Fortran, Python, Scheme, Perl et Java. Le paradigme de programmation joue également beaucoup sur la facilité d'utilisation d'une norme. OpenGL se présente comme étant un ensemble de fonctions de bibliothèque (typiquement un ensemble de bibliothèque à inclure et de fichier à lier avec le programme), DirectX utilise le paradigme COM (Component Object Model), développé par Microsoft, quand à Java3D, il utilise évidement les capacités objets de Java, et un concept de représentation d'une scène 3D propre à Java3D.

Chacun des paradigmes a ses avantages et ses inconvénients, l'usage de fonctions de bibliothèque ou du paradigme objet de java nous semble plus évident à apprendre, mais un programmeur habitué au concept COM, préfèrera sans doute utiliser ce paradigme. Enfin, la programmation d'un moteur 3D étant généralement entourée par d'autres fonctionnalités (son, réseau, entrée/sortie ...) ces différentes fonctionnalités peuvent également influencer le choix d'un outil. DirectX fournit en plus de DirectDraw et Direct3D, de nombreuses bibliothèques annexes gérant différents aspects de programmation (DirectSound, DirectInput, DirectPlay ...). OpenGL ne concerne que le graphisme. Java3D profite quant à lui de la très riche API java.

Bien compris les notions théoriques sur la modélisation 3D, et là, nous venons de voir comment faire la programmation 3D avec les différentes bibliothèques, ainsi que les divers algorithmes qu'elle utilise ; nous devons nous mettre à niveau de connaitre comment rendre palpable cette modélisation faite en 3D.

Le chapitre suivant sur l'étude de système d'impression 3D, va bien nous aider à comprendre comment le faire.

Chap III. Etude de système d'impression 3D

III.0. Introduction [9,10]

L'impression 3D ou fabrication additive est au goût du jour. Aux Etats-Unis, en France comme ailleurs, elle donne lieu à de nombreux rapports, à un engouement médiatique et à une innovation continuelle.

Il est une nouvelle technologie du prototypage rapide et il est facile de fabriquer une pièce ou maquette avec précision par exemple réalisation d'une pièce de rechange dans le domaine spatial, ou fabrication des organes dans le domaine Biomédical, ...

La fabrication additive était plus entendue dans des revues ou médias spécialisés évoquaient ces sujets il y a encore quatre ou cinq ans. Mais les médias généralistes ont pris le relais depuis lors et dans le monde entier. Ils accordent une large place à des objets facilement accessibles et ne manquent pas d'évoquer la sortie très fréquente d'une nouvelle machine d'impression 3D surtout si elle n'est pas uniquement destinée aux professionnels. Car le marché des imprimantes 3D destiné au grand public se développe à un rythme rapide.

L'impression tridimensionnelle est aussi décrite par différents spécialistes comme une véritable révolution industrielle dont les enjeux vont bien au-delà de ceux que le grand public pourrait porter.

On retrouve ces enjeux industriels majeurs de l'impression 3D dans les stratégies des acteurs.

Ainsi, Renault, Peugeot et Dassault Aviation ont-ils coopéré à cette fin dès les années 90 ; des entreprises telles que Safran y accordent la plus grande attention depuis au moins une décennie ; GE investit dans ce domaine des sommes considérables, etc. Et nous n'en sommes qu'à la fin du commencement. En bref, la fabrication additive concerne absolument tout le monde, y compris les gouvernements qui s'interrogent sur les actions stratégiques qu'il convient de définir et mettre en oeuvre, afin de ne pas passer à côté de ce train à grande vitesse qui va bouleverser l'économie comme la société. L'impression 3D fait partie de la famille des machines -outil à commande numérique (CNC).

Avec ce chapitre, nous allons parler de l'étude du système 3D en donnant son historique, son applicabilité dans le marché, ses différents les matériaux de technologie et présenté ses différents modèles économiques.

III.1. Bref historique de l'imprimante 3D [9]

L'impression 3D apparues dans les années 1980, la fabrication additive est une méthode de fabrication assistée par ordinateur (CAO) définie par les organismes de normalisation nationaux ou internationaux comme étant le procédé de mise en forme d'une pièce par ajout de matière par empilement de couches successives, contrairement par exemple à l'usinage qui agit par enlèvement de matière (fabrication soustractive).

C'est le 16 juillet 1984 que le 1er brevet sur l'impression 3D (dite « fabrication additive ») est déposé. Les dépositaires sont français : Jean-Claude André, Olivier de Witte, et Alain le Méhaute pour le compte de l'entreprise CILAS ALCATEL. La même année, aux Etats-Unis, le 1er août 1984, c'est l'américain Chuck Hull qui dépose le brevet sur la technique d'impression 3D de stéréolithographie (SLA pour StéréoLithographie Apparatus).

Des expérimentations médicales ont eu lieu depuis près d'une vingtaine d'années pour tenter des avancées en médecine régénérative, financées essentiellement par le gouvernement fédéral américain. L'objectif serait de reconstituer des tissus ou des organes à partir de cellules prélevées sur un patient malade.

En 2012, à l'aide d'une imprimante tridimensionnelle fabriquée par LayerWise (société issue de l'université de Louvain, en Belgique, rachetée par 3D Systems en 2014), des médecins et ingénieurs des Pays-Bas « impriment » une mâchoire inférieure artificielle personnalisée en trois dimensions qui est ensuite greffée à une femme de 83 ans souffrant d'une infection chronique des os. Cette technologie fait actuellement l'objet de recherches afin de voir s'il serait possible de l'utiliser pour faciliter la croissance de nouveaux tissus osseux.

En 2017, Sculpteo (un service français d'impression 3D) présente un vélo fabriquer avec la technique d'impression 3D et en 2018, la société Kodak, nexa 3D, Airwolf et vevo et tant d'autres société américaine ayant comme spécialité impression 3D, ont fabriquées plusieurs machines pour la technologie additive.

III.2. Différents Usages de l'impression 3D

Les technologies de fabrication additive suscitent l'engouement de diverses industries et se retrouvent dans de nombreuses structures, privées et commerciales, aux vocations multiples : prothèses médicales, prototypes de produits extrêmement divers, pièces de petite séries ou uniques pour le domaine spatial (par exemple télescopes pour la NASA), maquettes d'architecture, éducation, nourriture, etc.

Les différentes applications de l'impression 3D sont nombreuses, notamment dans les secteurs de la grande consommation, du divertissement, de la recherche et de l'industrie. Une forte demande provient aussi du secteur des petites entreprises qui cherchent à se développer grâce à l'impression 3D.

Vu la pertinence de ce chapitre, et vu les divers avantages que nous apporte l'imprimante 3D, nous devons expliciter quelques avantages qu'il nous présente par rapport à (au):

III.2.1. Le Prototype rapide [4]

A l'aide de l'impression 3D, on peut fabriquer d'une manière rapide de pièces prototypes. Le prototypage rapide regroupe un ensemble d'outils qui, agencés entre eux, permettent d'aboutir à des projets de représentation intermédiaire de la conception de produits : les modèles numériques (au sens géométrie du modèle), les maquettes.

Il fournit aux designers, ingénieurs et même aux consommateurs un moyen idéal de première production d'objets fonctionnels. Cela leur permet ainsi de manier et de tester les produits.

Les ingénieurs peuvent s'apercevoir plus facilement des anomalies à corriger et sont en mesure d'optimiser facilement leur projet.

Il a trois notions essentielles qu'on doit bien maitriser. A savoir : le temps, le coût et la complexité des formes.

ü Temps : l'objectif du prototypage rapide est de réaliser rapidement les modèles, dans un but de réduction des temps de développement des produits.

ü Coût : le prototypage rapide permet de réaliser des prototypes sans qu'il soit nécessaire de recourir à des outillages coûteux, tout en garantissant les performances du produit final. On est donc en mesure d'explorer les différentes variantes du produit en cours d'élaboration.

ü Complexité des formes : les machines procédant par ajout de matière sont capables de réaliser des formes extrêmement complexes (inclusion, cavité...), irréalisables par des procédés tel que l'usinage par exemple.

III.2.2. Outillage rapide [4]

Comme le titre l'indique, avec l'impression 3D, on a la fabrication rapide des outils.

Dans de très nombreux secteurs, l'impression 3D s'est progressivement tournée du prototypage vers la production d'outils pour les processus de fabrication, dans des secteurs très divers, la construction mécanique, l'aéronautique, la défense et l'espace, la production de verres de très haute précision, l'entretien de voies ferrées, par exemple.

Dans d'autres cas, l'impression 3D a fait fabriquer des matériaux organiques, toujours en fabrication additive, certaines petites pièces ou des supports quand nous ne trouvions plus d'approvisionnement dans des délais raisonnables.

III.2.3. Fabrication directe [4]

L'impression 3D intervient pour la fabrication additive des pièces fonctionnelle.

L'imprimante 3D dans la fabrication directe, nous permet aussi d'innover dans un mode de production totalement inconnu jusqu'alors qui consiste à produire la même pièce sur plusieurs machines à travers le monde, rendant ainsi possible des séries très courtes (voire une pièce unique par machine) mais en de nombreux points et donc finalement des séries moyennes. Le design peut être propriétaire, mais il existe aussi de très nombreuses bibliothèques comportant des milliers, et bientôt des millions de fichiers dont une grande partie est en open source, les modifications peuvent être ad hoc, la production peut être éclatée. Il s'agit donc d'une production qui peut être locale, distribuée et cependant significative en agrégeant toutes ces composantes (i.e. les impressions locales) dans le temps.

L'illustration la plus frappante pour le grand public (symbolique, vertueuse=biens communs) de ce phénomène est l'impression de prothèses de bras ou de mains, à très faible coûts, soit à partir de quelques modèles déjà mis au point, soit adaptées à chaque utilisateur.

III.2.4. Fabrication domestique [4]

L'imprimante 3D permet à la fabrication rapide des objets de la maison. L'impression 3D domestique permet de réparer certains objets ou bien d'en fabriquer de nouveau. De nombreuses plat formes de partage mettent à disposition des fichiers numériques, en effet c'est cette partie de création de fichiers numériques qui sont les plus difficiles à mettre en place pour un particulier. Cette évolution d'impression 3D domestique est à remettre en perspective avec le marché global de l'impression 3D.

III.2.5. Réparation additive

III.3. Matériaux de technologie pour l'impression 3D

Si la mise au point de la première machine de fabrication additive remonte à une trentaine d'année, et si l'on traite notamment de prototypage rapide en matériaux organiques depuis près de vingt ans, d'autres matériaux sont utilisés plus récemment et les machines d'impression 3D sont en réalité à l'aube d'un développement très soutenu. S'il existe des dizaines, si ce n'est des centaines de fabricants pour des technologies de filament plastique, il y a beaucoup moins de fabricants pour des machines utilisant des matériaux métalliques, et encore moins pour des matériaux de type céramiques.

Des matériaux nouveaux seront développés, plus performants pour ce type de fabrication, les machines vont multiplier les sources d'énergie permettant des modes de fabrication plus rapide, les post traitements vont également se développer pour accéder à des pièces répondant à des critères de qualité toujours plus exigeante.

A nos jours, plusieurs pays utilisent la technologie additive (Impression 3D) pour faciliter la fabrication rapide de leurs biens. Nous pouvons prendre le cas des États-Unis qui ont surtout misé sur les équipements permettant la transformation des thermoplastiques (...mais ceci évolue rapidement sous la pression des grands acteurs, tels que la NASA ou Boeing), tandis que l'Europe, plus particulièrement l'Allemagne s'est positionnée sur les machines destinées à la fabrication métallique. La majeure partie des imprimantes en matériaux métalliques est de source européenne.

III.4. RepRap [11]

Ce mot est en anglais (Réplication Rapid Prototyper) est un projet Britannique de l'université du Bath pour la création d'une imprimante tridimensionnelle, ce projet réelle est maintenant développée très activement par une communauté mondiale à la manière du logiciel libre, a été fondé en 2005 par Adrian Bowyer.

Il permet l'impression des objets en plastique. Etant donné qu'il fait l'impression des divers objets en plastique, le RepRap créé aussi des kits que tout le monde peut rassembler en fonction du temps et du matériau.

ü Le Darwin premier modèle

ü La Mendel

ü Modèle Huxley

ü Modèle Wallace

ü Rostock

Les précédentes machines dans leur conception prennent la forme d'un Robot cartésien, mais cette Machine elle est de forme Robot delta plus rapide et plus précise.

ü Hypercube

Présentant une petite généralité sur la modélisation 3D, en ayant une connaissance à la programmation 3D et en faisant une petite étude sur l'impression 3D ; connaissant son historique, comment on l'utilise, les différent matériaux d'usage et en faisant voir les différent imprimante RepRap ; nous sommes maintenant en mesure de modélisé notre prothèse 3D de la main pour des personne ayant perdues ladite partie. Etant dit, nous allons bien comprendre en long et en large dans le chapitre qui suit.

Chap IV. Modélisation 3d de la Prothèse

Le fait de faire une conception d'un modèle physique c'est ce qu'on appelle modélisation.

Avec le 3D, notre modélisation de la prothèse peut se faire grâce à divers logiciels de modélisation 3D. Mais pour notre cas, nous avons choisi Blender vu sa pertinence énumérer dans chapitre premier ainsi qu'avec sa bibliothèque OpenGL incorporée.

En plus de ça, Blender tourne sur tous environnements et nous aurons la facilité d'expérimenter notre prothèse dans n'importe quel environnement.

Nous n'allons pas tous expliquer, nous allons plutôt donner des éléments essentiels du logiciel puis montrer le résultat obtenu.

IV.1. Comprendre l'Interface de Blender [6]

D'une manière purement historique, l'image de Blender a toujours souffert de son interface, que l'on aurait pu préalablement qualifier d'étranger.

Initialement développé pour d'anciens systèmes informatique nommés IRIX, Blender a vu l'environnement technologique évoluer autour de lui, tout en restant un peu à la traine par rapport à ses congénères. Suite à ces multiples changements, les développeurs de la Blender Foundation décidèrent de recommencer le développement de Blender à zéro, en imaginant une nouvelle architecture et, par la même occasion, une nouvelle interface. La version 2.49b fut donc la dernière version de Blender fondée sur l'ancien système.

Figure IV.1 : Comparaison entre les interfaces de Blender 2 .49b et Blender 2 .5x et suivants.

IV.2. Espace de travail

Au premier démarrage du logiciel, Blender nous présente une interface constituée de plusieurs boutons, répartis dans des panneaux et tournant une vue 3D.

Cette vue 3D nous propose une scène de base à partir de laquelle nous pourrions commencer à manipuler des objets dans l'espace.

Figure IV.2 : Scène de base fournie par Blender au démarrage du logiciel.

IV.3. Personnalisation de l'espace de travail

Il est donc possible de segmenter l'interface de Blender en blocs, chacun pouvant contenir un module différent. Pour assigner un autre type de module à un bloc, par exemple pour remplacer la vue 3D centrale par une liste des éléments présents dans la scène, il suffit de cliquer sur l'icône se trouvant en bas ou en haut du module en question.

En cliquant par exemple sur le petit cube gris se trouvant en bas, à gauche de la vue 3D, nous faisons apparaitre une liste contenant tous les modules disponibles dans Blender.

Figure IV.3 : Sélecteur des différents modules se trouvant dans chaque bloc

IV.4. L'Interface Utilisateur en Détail

Concernant ce point, nous allons faire le détail de quelques interfaces les plus importants.

IV.4.1. Le Clavier et la Souris

L'interface de Blender utilise une souris à trois boutons et de nombreux raccourcis clavier (A voir dans d'autres manuels). Si votre souris possède seulement deux boutons, vous pouvez émuler le 3éme bouton dans la fenêtre de configuration des préférences utilisateur. La molette de la souris peut être utilisée, mais n'est pas indispensable.

Comme Blender nécessite une utilisation importante de la souris et du clavier, « une règle d'or » s'est répandue parmi les utilisateurs de Blender : avoir une main sur la souris et l'autre sur le clavier. Si vous utilisez un clavier qui est sensiblement différent de la disposition anglaise, vous pouvez éventuellement reprendre la disposition anglaise (ou américaine) pendant que vous travaillez avec Blender. Les touches les plus fréquemment utilisées sont groupées de sorte qu'elles soient accessibles avec la main gauche en position standard (index sur F) pour un clavier anglais. Ceci suppose que vous utilisez la souris avec la main droite.

IV.4.2. Fenêtre de Blender

L'interface de Blender, la fenêtre rectangulaire fournie par votre système d'opération, est divisée en plusieurs cadres rectangulaires de fenêtre. Chaque cadre de fenêtre peut contenir différents types d'information, en fonction du type de fenêtre.

Chaque cadre de fenêtre opère indépendamment des autres, et vous pouvez avoir le même type de fenêtre dans plusieurs cadres. Par exemple, vous pouvez avoir plusieurs Vues 3D ouvertes mais chacune présentant la Scène à partir d'une perspective différente. Vous pouvez diviser, fusionner et retailler les cadres des fenêtres pour les adapter à votre travail. Vous pouvez aussi faire que quelques cadres de fenêtre n'affichent pas d'entête pour gagner de la place.

IV. Résultat [9]

Pour la modélisation de la prothèse de main, on fait l'assemblage juste à la fin. Donc on doit commencer à modéliser la phalange, en suite le doigt en entièreté et en fin de la main qui constitue notre prothèse. Mais il ne reste qu'à signaler que l'ordre du commencement, dépend de chaque personne.

La structure ci-dessous montre les étapes qu'on aura besoin pour la modélisation de notre prothèse :

IV.4.1. Modélisation de la phalange

Pour modéliser une phalange, il faut préciser la taille de ce dernier, préciser la longueur, la largeur ainsi que son volume et en fin préciser l'angle qui va le séparer avec d'autres phalanges.

Voici une représentation de la phalange du pouce et celui de l'index. Pour les autres il suffit de faire la duplication et préciser la taille.

IV.4.2. Modélisation de la paume

Pour mieux faire les choses, on cherche à bien faire l'angle séparateur des doigts, ainsi que la taille de la paume. Au niveau de la paume, il faut aussi détailler la circonférence dans la quel on va enfoncer la main. Il ne nous reste à vous signaler que le réassemblage de tous les phalanges, doit respecter la jointure pour créer l'articulation.

En mode édite (Ce mode permet la modification de l'objet), voilà ce que ça donne :

On peut aussi voir ça en Mode Objet (Le mode qui permet de visualiser l'objet qu'on a modélisé) :

IV.4.3. La prothèse Après réassemblage

Le réassemblage de la nôtre prothèse consiste à mettre ensemble tous ce qu'on a pu modéliser séparément ; Et là, on verra plus de l'importance du moteur de rendu qu'on a pu expliciter et donner son importance dans le chapitre premier de notre travail.

Donc on réassemble tous les doigts à la paume de main afin de l'attacher au poignet de la main pour enfin voir notre prothèse modéliser.

En mode Edition, voilà ce que ça nous donne comme résultat en deux dimensions:

Et quand on quitte du mode édite au mode objet, nous avons ce qui suit toujours en format 2D :

Grace à l'affiche qui suis, qu'on pourrait voir au moins les trois axes qui forment notre prothèse :

Au final, pour voir si notre modélisation a été bien fait, nous devons la placer sur le plateau d'impression avec le logiciel CURA avec l'extension .stl. Si elle est entourée de la couleur bleue, donc notre modélisation est parfaite. Et ce logiciel nous aidera à la précision sur l'heure que ça va prendre au moment d'impression et le montant. Pour cette version d'essai, elle coute 24$ avec 24g de filament pour l'imprimer et elle va durer 06h26min d'impression vu qu'on a réduit la qualité et le volume.

Comme nous l'avons dit dans l'introduction de notre travail, notre prothèse qui a été très bien modéliser, a comme importance de permettre aux personnes vivant avec handicap de retrouver le sourire.

Alors, il ne reste qu'à signaler : ce dernier a des particularités qui la diffère des autres qui existent déjà comme :

ü Notre prothèse permet à ce que les personnes qui vont la porter, puisse faire de mouvement qui sont semblable à la main naturelle par exemple fermer un coup de pointe. Ce qui n'était pas le cas avec les prothèses précédentes ;

ü Elle imite la réalité. Avec cette prothèse, une personne qui la met, peut même oublier qu'elle a une main artificielle ;

ü Au lieu de se déplacer pour en procurer, on va le faire d'une manière locale et à un prix minime par rapport à quand vous vous déplacer.

Conclusion

Nous sommes arrivés à la fin de notre travail ; le but poursuivi a été atteint. Savons tous que le numérique fait maintenant rage dans le monde ; et grâce à ce dernier, on a modélisé notre prothèse 3D pour aider nos frères vivant avec handicap à s'épanouir.

Avec cette prothèse, le porteur n'aura pas trop de souci, car elle est similaire à la main naturelle. En plus, elle permet à mieux faire des mouvements que les prothèses de main existant (Comme le coup de poing).

Tous les chapitres ont servi à la réalisation et à la finalisation de notre modèle. Souvent, il nous paraitrait un peu drôle de voir d'autres vue en 2D. Mais grâce au moteur de rendu vu dans le premier chapitre, qui nous a permis de visualiser notre prothèse dans ses deux modes (2D et 3D). Il ne reste qu'à noter que l'algorithme de Cohen-Sutherland (Clipping 2D et 3D), nous a permis de faire le remplissage (maillage) de notre modèle.

Cette prothèse permettra aux médecins tant spécialistes que non-spécialistes qui reçoivent les handicapés pour ce cas, d'avoir la facilité de leur retourner le sourire perdu pendant longtemps. Mais avant de le faire, il est toujours conseillé de passer à des tests confirmatoires. Voilà c'est dans cette optique que nous avons pu réaliser ce travail.

Pour arriver à la concrétisation de notre prothèse, nous nous sommes servi de Blender qui est l'un des logiciels de modélisation 3D avec OpenGl qui est l'une des bibliothèques puissantes dans la modélisation 3D qui lui est incorporé.

Etant un travail humain, vos remarques et suggestions nous seront toujours les bienvenues pour une amélioration à la prochaine occasion.

BIBLIOGRAPHIE

2. François Goulette, Modélisation 3D automatique : outils de géométrie différentielle, éd. TRANSVALOR Presses des MINES, 1999.

3. Antoine Veyrat, Débutez dans la 3D avec Blender, éd. Le Site du Zéro, Octobre 2018, 416 p.

4. Joël ROSENBER, L'Impression 3D: Porte d'entrée dans l'industrie du 21eme siècle. (Ed 2014)

5. Pascal Mignot, Initiation à la synthèse d'image (Mathématique dans l'infographie). Ed 2005

Modélisation 3d pour les personnes vivant avec handicap.

EPIGRAPHE

IN MEMORIAM

DEDICACE

REMERCIEMENTS

LISTE DES ABREVIATIONS

LISTE DES FIGURES

LISTE DES TRABLEAUX

INTRODUCTION GENERALE

1. PROBLEMATIQUE

2. HYPOTHESE

3. INTERET DU SUJET

4. DELIMITATION DU SUJET

5. METHODES ET TECHNIQUES UTILISEES

a. Méthode

b. Technique utilisées :

6. SUBDIVISION DU TRAVAIL

Chap I. Généralité sur la Modélisation 3D

I.0. Introduction [9]

I.1. Infographie 3D [9]

I.2. Modèle Numérique ou Modélisation 3D [1,2,5,9]

I.2.1. Modélisation [1,5,9]

a. Méthode de Modélisation

b. Contraintes temporelles dans la modélisation [5,9]

1. La modélisation temps Réel

2. La Modélisation Pré-calculée

3. La Modélisation Hybride

I.2.2. Rendu

I.3. Quelques types de modélisation 3D [8]

I.3.1. Modélisation à partir d'exemples

a. Avantage

b. Inconvénients

I.3.2. Modélisation par courbes (NURBS)

I.3.3. Modélisation par subdivision de surface

I.3.4. Modélisation de construction de solides

a. Avantages

b. Inconvénients

I.3.5. Modélisation Volumique

I.3.6. Modélisation Paramétrique

a. Fonctions

b. Logiciels de CAO utilisant la conception paramétrique

I.4. Quelques logiciels de modélisation tridimensionnelle [9]

I.4.1. SketchUp

I.4.2. Blender

a. Points forts

b. Points faibles

I.4.3. FreeCAD

Chap II. Programmation 3D

II.1. Introduction

II.2. L'algorithme de base deux dimensions [5]

II.2.1. Traçage de droite [5,9]

a. Algorithme Simple

b. Algorithme de Bresenham (ou algorithme du point milieu)

II.2.2. Remplissage

a. Remplissage d'un polygone convexe

b. Remplissage d'un polygone quelconque

II.2.3. Clipping

II.3. L'algorithme en trois dimensions

II.3.1. Clipping 3D [5,7]

Comparaison entre Clapping 2D et 3D

II.3.2. Elimination des faces cachées

a. Algorithme du peinture

b. Algorithme du tampon de profondeur (Z-buffer)

II.4. Quelques Bibliothèques de programmation et modélisation 3D

II.4.1. DirectX

a. Caractéristiques

b. Implémentation

Les Fonctions Utilisant DirectX

c. Exemple

II.3.2. OpenGL

a. Caractéristiques

b. Implémentation

Les Fonctions Utilisant DirectX

c. Exemple

II.3.2. Java3D

a. Caractéristiques

b. Implémentation

c. Exemple

II.4. Etude comparatif des bibliothèques

Avantages/Inconvénients