Coups de projecteur
14 avril 2021
L'Albatros : comment transposer une machine historique dans la réalité virtuelle
L'Albatros, la dernière locomotive à vapeur rapide d'Europe, a beaucoup d'histoires à raconter. Malheureusement, pouvoir l'observer physiquement n'est pas donné à tout le monde. C'est pourquoi l'entreprise Artzenal a utilisé RealityScan pour numériser ce célèbre train et lui donner vie dans la réalité virtuelle, où il peut être admiré de tous.
La machine à vapeur Albatros 498.104 est très impressionnante. Avec sa longueur totale de 25,6 mètres, sa finition bleu roi et ses roues rouge vif, elle se démarque immédiatement des autres trains de son époque. L'Albatros est également l'ultime représentant de sa période technologique : il est le dernier grand train à vapeur avant l'apparition du diesel et de l'électricité sur les grandes lignes d'Europe centrale.
Cette célébrité a été préservée au fil des ans par l'Albatros Club, un groupe d'experts passionnés de trains présidé par M. Veres. L'Albatros fait fréquemment son apparition lors de grands événements et de courses commémoratives. On le voit souvent tirer la voiture présidentielle de l'ancienne république de Tchécoslovaquie. Mais à cause de sa taille, les passionnés sont obligés de se déplacer pour le voir de leurs propres yeux ; il serait impossible de l'exposer dans un musée.
Afin de le rendre plus accessible au grand public, il a été décidé de faire appel à Artzenal, une entreprise slovaque, dans l'objectif de numériser le train et de l'intégrer à une expérience en réalité virtuelle.
Le moteur de l'Albatros est certainement l'un des objets les plus complexes jamais numérisés. Il possède toutes les caractéristiques "à éviter" : une taille imposante, un éclairage uniquement extérieur, des surfaces métalliques brillantes, du verre, des structures complexes… De plus, toute la beauté de sa conception industrielle est cachée dans des recoins difficiles d'accès.
L'équipe d'Artzenal a utilisé le scanner laser FARO FOCUS 150 pour des dizaines de positions, parmi lesquelles 18 ont été retenues au final, et plusieurs appareils photo Nikon D850 pour prendre 45 858 clichés de la machine à vapeur Albatros. RealityScan a été utilisé pour transformer les images en un modèle 3D détaillé.
Afin de le rendre plus accessible au grand public, il a été décidé de faire appel à Artzenal, une entreprise slovaque, dans l'objectif de numériser le train et de l'intégrer à une expérience en réalité virtuelle.
La numérisation de l'Albatros
Le moteur de l'Albatros est certainement l'un des objets les plus complexes jamais numérisés. Il possède toutes les caractéristiques "à éviter" : une taille imposante, un éclairage uniquement extérieur, des surfaces métalliques brillantes, du verre, des structures complexes… De plus, toute la beauté de sa conception industrielle est cachée dans des recoins difficiles d'accès.
L'équipe d'Artzenal a utilisé le scanner laser FARO FOCUS 150 pour des dizaines de positions, parmi lesquelles 18 ont été retenues au final, et plusieurs appareils photo Nikon D850 pour prendre 45 858 clichés de la machine à vapeur Albatros. RealityScan a été utilisé pour transformer les images en un modèle 3D détaillé.
Le processus de numérisation a été très difficile, même pour l'équipe expérimentée d'Artzenal. "Nous avons dû préparer chaque étape méticuleusement pour obtenir un résultat satisfaisant. Nous avons divisé le train en plusieurs sections pour travailler sur chacune d'entre elles selon nos objectifs du jour, la météo et la luminosité. Le but était d'obtenir un profil uniforme, explique Richard Dömös, responsable de l'unité de numérisation d'Artzenal. Nous avons dû imaginer de nouvelles méthodes afin de capturer les surfaces et les instruments métalliques très brillants avec fidélité."
Richard Dömös ajoute que l'équipe a passé plus de six jours sur place à capturer la totalité du train dans les meilleures conditions, afin d'obtenir un résultat très détaillé et homogène.
Richard Dömös ajoute que l'équipe a passé plus de six jours sur place à capturer la totalité du train dans les meilleures conditions, afin d'obtenir un résultat très détaillé et homogène.
L'utilisation des données
L'un des autres défis pour l'équipe, leur matériel et leurs logiciels était d'utiliser l'énorme quantité de données collectées (plus de 700 Go) afin de créer un modèle satisfaisant de la machine à vapeur Albatros et de son tender en une seule passe. L'équipe a dû aligner d'énormes quantités de données afin d'obtenir un résultat d'une précision absolue et fidèle à l'original, notamment au niveau des détails techniques et des dimensions. Même en utilisant RealityScan et la plus grande puissance de calcul jamais rencontrée par Artzenal, il a fallu plusieurs tentatives à l'équipe pour obtenir un résultat satisfaisant et qui rend justice à la majesté de l'Albatros. Chacune de ces tentatives a nécessité plusieurs jours de travail pour l'alignement et la génération de données.
"Le train à vapeur Albatros est la plus grande ressource que nous avons essayé de générer avec [RealityScan], précise Marcel Petras, fondateur d'Artzenal et responsable du pipeline 3D. Tous nos projets précédents utilisaient moins de 20 000 photos par objet. Nous avons dû en prendre plus du double pour l'Albatros, cela ne nous était jamais arrivé."
D'après Marcel Petras, l'équipe a dû recommencer le processus plusieurs fois, mais le résultat et le savoir-faire qu'elle a obtenus en valaient la chandelle. "Le processus nous a également permis de tester les limites de [RealityScan]. Chez Artzenal, du moins, nous n'avions jamais essayé de traiter une telle quantité de données de différents types (numérisations laser et photographies) sur un seul objet. Le résultat démontre les performances de cet outil et nous sommes prêts à relever de nouveaux défis à l'avenir."
La première passe avec RealityScan a généré les données suivantes :
D'après Marcel Petras, l'équipe a dû recommencer le processus plusieurs fois, mais le résultat et le savoir-faire qu'elle a obtenus en valaient la chandelle. "Le processus nous a également permis de tester les limites de [RealityScan]. Chez Artzenal, du moins, nous n'avions jamais essayé de traiter une telle quantité de données de différents types (numérisations laser et photographies) sur un seul objet. Le résultat démontre les performances de cet outil et nous sommes prêts à relever de nouveaux défis à l'avenir."
Les données brutes
La première passe avec RealityScan a généré les données suivantes :
- Nuage de points : plus de 700 Go de données
- Modèle : 1,38 milliard de triangles
- Textures : 36 matériaux et 150 textures
Direction l'Unreal Engine
Le principal cas d'utilisation, qui consistait à donner vie au train à vapeur Albatros sous forme d'expérience virtuelle, a nécessité de transférer les données brutes vers un format optimisé pour l'Unreal Engine. Le choix de ce moteur s'est imposé comme une évidence en raison de ses fonctionnalités visuelles puissantes et de sa capacité à créer facilement des versions compatibles avec les plateformes cibles.
Afin d'obtenir des performances en temps réel rapides dans les cas d'utilisation futurs tout en conservant une qualité maximale sur du matériel puissant, l'objectif initial était de réduire les 1,38 milliard de triangles bruts à bien en dessous de 5 millions et à environ 150 textures et 36 matériaux, afin de créer un modèle final en temps réel.
Au final, ce modèle du train à vapeur Albatros et de son tender utilise un maillage d'un peu moins de 3 millions de triangles, 150 textures et 36 matériaux. Cette version fonctionne avec l'Unreal Engine à une vitesse de 60 images par seconde sur un PC standard. Elle constitue une base solide pour des optimisations futures sur différentes configurations matérielles cibles.
Durant cette étape, le modèle source a été séparé en plusieurs objets et sous-groupes. Pour ce faire, M. Veres et l'Albatros Club ont offert une visite guidée à Artzenal en leur expliquant tous les éléments fonctionnels du train et les commandes de la cabine. C'en est suivi d'une démonstration en direct afin d'enregistrer les mouvements, les sons et les effets (le feu, la fumée et la vapeur) produits par cette impressionnante machine. Ces données permettront de recréer le fonctionnement du train dans les moindres détails pour l'expérience virtuelle d'Artzenal.
Durant cette étape, le modèle source a été séparé en plusieurs objets et sous-groupes. Pour ce faire, M. Veres et l'Albatros Club ont offert une visite guidée à Artzenal en leur expliquant tous les éléments fonctionnels du train et les commandes de la cabine. C'en est suivi d'une démonstration en direct afin d'enregistrer les mouvements, les sons et les effets (le feu, la fumée et la vapeur) produits par cette impressionnante machine. Ces données permettront de recréer le fonctionnement du train dans les moindres détails pour l'expérience virtuelle d'Artzenal.
"Nous avons dû prendre les bonnes décisions dès le départ pour éviter d'avoir à retourner sur le modèle brut et de reprendre les processus de zéro plus tard, explique Marcel Petras. En nous appuyant sur notre expérience dans le développement de jeux vidéo et avec l'Unreal Engine, nous avons réussi à terminer la division et l'optimisation en une seule étape. Nous avons ainsi obtenu un "modèle de jeu" pouvant être utilisé de manière dynamique dans les scénarios en temps réel que nous avons prévus."
Après avoir réussi à faire fonctionner le train à vapeur Albatros correctement avec l'Unreal Engine, l'équipe souhaitait donner vie à cette immense machine virtuelle.
L'avenir virtuel de l'Albatros
Après avoir réussi à faire fonctionner le train à vapeur Albatros correctement avec l'Unreal Engine, l'équipe souhaitait donner vie à cette immense machine virtuelle.
Les étapes suivantes consistaient à ajouter les fonctionnalités, les interactions et l'opérabilité prévues, mais également à créer les branches à utiliser pour les plateformes cibles finales. Le but de l'équipe était de faire entrer l'Albatros dans la réalité virtuelle en 2021 et de produire des projections haute qualité pour une expérience interactive. Le potentiel de l'association de la qualité visuelle des numérisations à la transmission d'informations et d'éducation est énorme. Dans ce cas précis, les utilisateurs découvrent une machine à vapeur à travers des scénarios ludiques et divertissants.
Le scénario en réalité virtuelle de l'Albatros dure environ 10 à 15 minutes, durant lesquelles l'utilisateur s'approche du moteur "froid" et le prépare à démarrer : il effectue les vérifications, le graisse, puis ajoute le charbon, l'eau et le sable. Une fois ces tâches accomplies, les utilisateurs se rendent dans la cabine pour allumer le feu, faire monter la pression et la vapeur, régler les valves et les leviers puis actionner fièrement le klaxon, le tout accompagné d'effets visuels, sonores et de mouvements.
Comme le dit l'équipe d'Artzenal : "Pour nous, cela représente l'essence même du patrimoine culturel virtuel. Le but est de rendre des choses accessibles à de nouveaux publics dans le monde numérique et, surtout, de révolutionner la présentation de connaissances et de contenus précieux de manière attrayante."
Comme le dit l'équipe d'Artzenal : "Pour nous, cela représente l'essence même du patrimoine culturel virtuel. Le but est de rendre des choses accessibles à de nouveaux publics dans le monde numérique et, surtout, de révolutionner la présentation de connaissances et de contenus précieux de manière attrayante."
Remarque : au moment de la rédaction de cet article, RealityScan était commercialisé sous le nom de RealityCapture et son entreprise s'appelait CapturingReality.
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L'utilisation de RealityScan est gratuite pour les étudiants, les enseignants, les particuliers et les entreprises dont le revenu annuel brut est inférieur à 1 million de dollars (USD).Vous dépassez le seuil de 1 million de dollars ? Consultez la page dédiée aux licences pour connaître vos options d'achat.
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