Synthèse d images. et modélisation des images numériques

Transcription

1 Synthèse d images et modélisation des images numériques

2 Introduction L infographie qui a une certaine époque était un domaine limité de l informatique, du moins dans ses applications, est devenue maintenant une discipline importante dans laquelle tout informaticien doit posséder un minimum de connaissances. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

3 Introduction Les problèmes informatiques mettant en jeux, d une manière ou d une autre, des images numériques sont de plus en plus nombreux. Ce mouvement est dû en grande partie aux performances grandissantes des ordinateurs aussi bien sur le plan rapidité que sur le plan mémoire, ainsi que la qualité accrue des périphériques, tout ceci pour un coût plus bas de jour en jour. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

4 Introduction Tout traitement informatique a pour objectif final un transfert d informations L image est un moyen privilégié de communication. Dans beaucoup de cas l image est le seul moyen efficace de transmettre cette information. Par exemple dans le domaine médical les vues reconstituées par programmes de l intérieur du cerveau sont irremplaçables. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

5 Introduction L écran est le principal périphérique de sortie de l ordinateur. Longtemps limité à l affichage de textes, ce périphérique permet maintenant l affichage d images et de vidéo, ce qui améliore de façon spectaculaire la communication. Le domaine de l image numérique n a plus seulement des applications à l extérieur de la discipline informatique, mais aussi et pour une part de plus en plus grande dans la discipline ellemême. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

6 Introduction On estime que pour une application classique, le code de l'interface utilisateur représente 80 % du code Les IHM modernes sont basées sur des techniques avancées de synthèse d images (MAC OSX est basé sur opengl) Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

7 Introduction On ne peut pas parler d images numériques sans parler de modélisation. C est la partie cachée de l iceberg. La création d une image de synthèse passe d abord par la création d un modèle géométrique, structure interne contenant toutes les informations des objets à visualiser. De nombreuses difficultés se rencontrent à ce niveaux. La modélisation nécessite un minimum de formalisme afin de maîtriser convenablement les propriétés des objets que l on manipule. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

8 Introduction L objectif final n est pas toujours l obtention d une image réaliste. L objectif peut être aussi la fabrication des objets modélisés. L image n intervient plus alors que comme une aide à la conception (logiciels de CAO). En CFAO (conception et fabrication assistée par ordinateur), le modèle utilisé doit effectivement représenter un solide. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

9 Introduction Les algorithmes de visualisations peuvent très bien s appliquer à des formes qui représentent des objets mathématiques ne pouvant être réellement fabriqués (par exemple des facettes triangulaires sans épaisseur). Le choix du modèle géométrique est fondamental selon le type d application. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

10 Introduction L infographie est une spécialité qui à ce titre nécessite une formation particulière. Les problèmes posés par l image numérique sont nombreux et variés. Si leur énoncé est souvent simple à comprendre, par contre les solutions sont rarement élémentaires et ne s improvisent pas. Les problèmes apparaissent souvent trompeusement faciles, et bien souvent le débutant commettra des erreurs grossières. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

11 Introduction Une des difficultés du domaine est la complexité des structures de données traitées ce qui rend problématique la création des jeux d essais et la vérification des programmes. La structure de données est parfois plus complexe que le programme qui la manipule. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

12 Introduction Ce cours comporte trois parties : Quelques notions de modélisation 3D seront abordées avec présentation des différents modèles Les algorithmes de visualisation et de calcul de rendu seront présentés. Les notions de bases concernant l animation seront abordées Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

13 Éviter les confusions Quelques notions à ne pas confondre Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

14 Images numérique/images de synthèse Il existe de nombreux moyens pour produire une image numérique. Parmi eux figure la synthèse d'images. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

15 Images de synthèse 3D/2D Par nature l image est bi-dimensionnelle puisque son support est un écran ou une feuille de papier. Par contre la scène, qui est une notion abstraite, peut représenter des objets de nature tridimensionnelle. La scène est mémorisée par diverses structures de données dans la mémoire de la machine. Par exemple on peut conserver en mémoire des points de l espaces en stockant trois nombres réels pour chaque point. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

16 Images de synthèse 3D/2D Par nature l image est bi-dimensionnelle puisque son support est un écran ou une feuille de papier. Par contre C EST la scène, UN ABUS, qui QUE est NOUS une ÉVITERONS notion abstraite, peut SYSTÉMATIQUEMENT, représenter des objets QUE DE PARLER de nature D IMAGES tridimensionnelle. TRIDIMENSIONNELLES. SEULES LES SCÈNES MÉRITENT UN TEL QUALIFICATIF. La scène est mémorisée par diverses structures de données dans la mémoire de la machine. Par exemple on peut conserver en mémoire des points de l espaces en stockant trois nombres réels pour chaque point. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

17 Étape de création La synthèse d images comporte deux phases principales : La création de la scène, La visualisation de la scène. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

18 La création d une scène La première phase consiste à créer dans la mémoire de la machine les structures de données définissant les objets constituant la scène. C est la phase de modélisation Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

19 La production d une image On applique un algorithme de visualisation qui travaille avec comme données les structures créées dans la première phase et dont le résultat est l image plus ou moins réaliste. C est la phase de visualisation. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

20 Modélisation C est l étude des différentes structures abstraites pouvant servir à mémoriser des scènes ; une telle structure s appelle un modèle. En modélisation on s intéresse aux propriétés du modèle Facilité de création, Facilité de modification Facilité de visualisation. On étudie aussi les propriétés dont le modèle permet de rendre compte Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

21 Visualisation En visualisation on s intéresse à la production des des images et leur propriétés : Leur nature, Leur qualité, La rapidité d obtention, Les techniques de rendu et de visualisation, Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

22 Activités autour de l image La synthèse d'images consiste à produire une image à partir d'une description de la scène. La reconnaissance de formes analyse une image pour en extraire des informations pertinentes par rapport à un domaine particuliers. Le traitement d images travaille sur des images en entrée et donne des images en sortie. Les transformations de modèles permettant de convertir un modèle en un autre. Les données comme les résultats sont alors des scènes. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

23 Activités autour de l image La synthèse d'images consiste à produire une image à partir d'une description de la scène. La reconnaissance de formes analyse une image pour en extraire des informations pertinentes par rapport à un domaine particuliers. Le traitement d images travaille sur des images en entrée et donne des images en sortie. Les transformations de modèles permettant de convertir un modèle en un autre. Les données comme les résultats sont alors des scènes. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

24 Domaines d application

25 CAO et CFAO Un des domaines d'application les plus important dans le domaine industriel est celui de la conception et de la fabrication assistée par ordinateur. La plupart des objets technologiques sont à présent conçus de cette façon. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

26 CAO et CFAO On économise en construisant un prototype virtuel dont le modèle informatique peut servir à la vérification de certaines propriétés de l'objet final, à la fabrication de l'objet et aussi à sa publicité. Les Derniers Airbus A380 sont les premiers avions au monde à avoir été totalement créés sur ordinateur, sans passer par une maquette en grandeur réelle comme cela se pratiquait pour les modèles précédents. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

27 CAO et CFAO (exemple) Les modèles géométriques permettent ici de définir un modèle virtuel de l'avion. Les programmes d'usinage qui pilotent les machines à commandes numérique fabriquant les structures sont testés par programmes : l'usinage est lui aussi simulé et la pièce virtuelle obtenue par cette simulation d'usinage est comparée à la pièce modélisée au départ. Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

28 Dessins animés

29 DESSINS ANIMÉS FOURMIZ

30 DESSINS ANIMÉS PIXAR-DISNEY

31 Dessins animés Travaux de recherches (Inria) Rendu à la manière des dessins animés Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes

32 DESSINS ANIMÉS ÉTUDE D ANIMATION

33 Dessin animé et cinéma Pinocchio est un film avec des acteurs réels (Martin Landau). La marionnette est parfois véritable (avec élimination numérique des manipulateurs) et parfois en images de synthèse.

34 Télévision, publicité

35 Télévision Habillage de l'émission de France2 Télématin Entièrement en images de synthèse, cet habillage à été réalisé par l'équipe de Z-A, avec les logiciels Softimage, After Effects et Photoshop

36 Télévision Maquillage d'avions Air France pour simuler la compagnie fictive Air Union Production : Le Sabre Diffusion : France 2 (Février-Mars 1999)

37 Publicité Remplacement de la bouteille de lait par le nouveau modèle de bouteille. Suivi des mouvements de la main et intégration de la bouteille 3D

38 Architecture

39 Architecture Espaces d'accueil du château de Chambord Projet pour le stade de France de S t Denis

40 Médecine, biologie

41 Imagerie médicale Reconstruction d organes à partir de d images par scanner

42 Modélisation moléculaire Construction virtuelle et visualisation de molécules complexes

43 Pédagogie

44 PÉDAGOGIE VISUALISATION D EFFETS RELATIVISTES

45 Simulation

46 SIMULATION SIMULATION DE CONDUITE AUTOMOBILE AVEC RETOUR D EFFORTS

47 SIMULATION SIMULATION DE GOLF

48 Simulation Tennis à Roland Garros en 1999

49 Simulation Étude de l impact écologique d une carrière

50 Cartographie

51 Cartographie Modélisation de cartes 2D (Géoportail et IGN)

52 Cartographie Modélisation en 3D Seul le relief du sol est modélisé Le réalisme est obtenu par plaquage de textures qui sont les photos par satellites (Google Earth)

53 Jeux vidéo

54 Jeux vidéo Les exemples se multiplent! Mario, les Sims, Lara Croft, etc.

55 Recherche

56 RECHERCHE MODÉLISATION DE VISAGES À PARTIR DE PHOTOS (INA ET INRIA)

57 RECHERCHE (INA-INRIA) À chaque image est appliquée la succession de traitements suivante : La localisation du visage sur l'image Recherche des points caractéristiques autour de la bouche Détection des yeux et des sourcils Détection du nez Calcul du repère de la tête (transformations globales) Calcul des déformations du visage dans le repère de la tête (transformations locales)

58 RECHERCHE GÉNÉRATION DÉCLARATIVE DE POLYÈDRES PHILIPPE ET DOMINIQUE MARTIN (IRIN)

59 RECHERCHE GÉNÉRATION DÉCLARATIVE DE GROTTES DANIÈLE CHAUVAT (IRIN)

60 Travaux d étudiants

61 TRAVAUX D ÉTUDIANTS MODÉLISATION DE PIÈCES MECCANO

62 TRAVAUX D ÉTUDIANTS MODÉLISATION DE PIÈCES MECCANO

63 TRAVAUX D ÉTUDIANTS MODÉLISATION DE PIÈCES MECCANO

64 Création artistique

65 Des images photo-réalistes De nombreuses images sont disponibles sur le site du logiciel de lancer de rayons POV-Ray (logiciel open source). Consulter le Hall of fame à l adresse : Philippe Martin Faculté des sciences de Nantes