La restitution du patrimoine architectural par la représentation virtuelle tridimensionnelle by Martin Escoyez

Mémoire de fin d’études

LA RESTITUTION DU PATRIMOINE ARCHITECTURAL PAR LA REPRESENTATION VIRTUELLE TRIDIMENSIONNELLE ETUDIANT PROMOTTEUR LECTEUR COORDINATEUR

Martin ESCOYEZ David VANDENBROUCKE Jean-François RONDEAUX François NIZET

Ce travail a été réalisé en vue de l’obtention du diplôme d’architecture à l’Université Catholique de Louvain (site LOCI Bruxelles).

Remerciements Je tiens particulièrement à remercier: Mon promotteur, David Vandenbroucke, pour ses conseils pertinents, sa patience, et ses encouragements tout au long de la rédaction de cet ouvrage. Les lecteurs de ce mémoire, notamment Jean-François Rondeaux, pour ses liens utiles et intéressants. Ma famille, mes amis, pour leur support continu et plus particulièrement Doriane Escoyez, pour ses remarques avisées en matière de formulation et de sémantique. Quentin Sandrock, pour l’aide fournie en terme de mise en page.

Préface Ce travail a été réalisé en vue d’expliquer, de documenter, de comprendre, et de s’interroger sur un sujet qui me passionne. Le plan de structure du travail peut être compris en quatres étapes: Qu’est que la restitution 3D, Comment fonctionne-t-elle, Pourquoi l’utiliser, et Vers quoi se dirige-t-elle. J’espère que ce sujet éveillera et nourrira votre curiosité autant que la mienne. Bonne lecture.

Table des matières Introduction.......................................................................................................................................9 Chapitre I: Comprendre la restitution..............................................................................................11 1.1 Qu’est-ce que la restitution......................................................................................................12 1.1.1 Définition.........................................................................................................................12 1.1.2 Démarche.........................................................................................................................12 1.2 L’évolution de la restitution.....................................................................................................14 1.2.1Approche..........................................................................................................................14 1.2.2 Représentations du moyen-âge..........................................................................................14 1.2.3 Brunelleschi et la perspective..........................................................................................16 1.2.4 L’intérêt de l’Age renaissant.............................................................................................17 1.2.5 Classification du patrimoine............................................................................................18 1.2.6 Le bienfait des expéditions..............................................................................................20 1.2.7 L’Académie des Beaux-Arts............................................................................................22 1.3 Pourquoi restituer en trois dimensions ?.................................................................................24 1.3.1 L’immersion.....................................................................................................................24 1.3.2 La diffusion......................................................................................................................25 1.3.3 Extrapolation et remise en question....................................................................................26 1.3.4 Dématérialisation du support...........................................................................................26 1.3.5 Modifications éventuelles................................................................................................27 Chapitre II: La restitution en trois dimensions................................................................................29 2.1 Processus et méthodes...............................................................................................................30 2.1.1 Principe............................................................................................................................30 2.1.2 Méthodes.........................................................................................................................31 2.2 La restitution de vestiges disparus.............................................................................................33 2.2.1 Faisabilité et expérimentation............................................................................................33 2.2.2 Mise en situation, « A la redécouverte du château de Montaigne ».................................36 2.3 La numérisation par scanner 3D.............................................................................................39 2.3.1 Définition et méthodologie................................................................................................39 2.3.2Acquisition des données....................................................................................................42 2.3.3 Traitement des données...................................................................................................44 2.3.4 Notions de modélisation .................................................................................................46 2.3.5 La modélisation...............................................................................................................50

2.4 La photomodélisation.............................................................................................................53 2.4.1 Définitions et méthodologie............................................................................................53 2.4.2 Origine.............................................................................................................................54 2.4.3 Processus.........................................................................................................................57 2.4.4 L’acquisition des coordonnées spatiales..........................................................................57 2.4.5 La reconstruction tridimensionnelle................................................................................58 2.4.6 Restitution de l’apparence...............................................................................................60 2.5 Avantages, différences, et limitations......................................................................................61 2.5.1 Caractéristiques du relevé laser.......................................................................................62 2.5.2 Caractéristiques de la photomodélisation........................................................................62 2.5.3 Combinaison des techniques...........................................................................................62 Chapitre III : Applications de la reconstitution architecturale..........................................................65 3.1 La stéréolithographie..............................................................................................................67 3.1.1 Le sphinx des Naxiens.....................................................................................................67 3.2 Rome et son patrimoine..........................................................................................................69 3.2.1 Rome Reborn...................................................................................................................69 3.2.2 Réalité augmentée...........................................................................................................71 3.3 L’immersion............................................................................................................................72 3.3.1 Holocubtile......................................................................................................................72 3.4 Stabilité...................................................................................................................................73 3.4.1 La cathédrale de Chastres................................................................................................73 Chapitre IV: Interprétations.............................................................................................................79 4.1 Perspectives d’avenir...............................................................................................................81 4.1.1 L’avancée de la photomodélisation................................................................................81 4.1.2 Perspectives d’immersion..............................................................................................82 4.1.3 Réflexions sur le prototypage.........................................................................................83 4.2 Conclusion..............................................................................................................................87 Sources.............................................................................................................................................89 Table des illustrations...................................................................................................................90 Bibliographie................................................................................................................................92 Textes.............................................................................................................................................92 Web...............................................................................................................................................93 Documentaires...............................................................................................................................93

INTRODUCTION Depuis une vingtaine d’années, l’outil informatique voit son utilisation augmenter exponentiellement dans des domaines toujours plus nombreux et variés, l’architecture ne faisant pas exception à la règle. Aujourd’hui, on utilise aussi bien cet outil dans les phases de conception que de communication, et les tables d’architectes ont tendance à prendre la poussière. La modélisation virtuelle est devenue une utilisation phare de cet outil que ce soit pour aider l’architecte à composer un projet, ou pour le promouvoir en vue de sa commercialisation. Effectivement, si la modélisation va jouer un rôle dans la conception, c’est parce qu’elle va permettre la compréhension d’un édifice dans ses trois dimensions et vérifier la concordance des données référencées sur les plans en deux dimensions. Cette capacité de compréhension par la modélisation est exploitée depuis plusieurs années et est notamment mise au service de la restitution du patrimoine. En effet, la modélisation tridimensionnelle joue de nombreux rôles au service de la restitution archéologique ou architecturale et son utilisation n’est plus une nouveauté. Nous constatons aujourd’hui l’émergence de ses applications qui ne cessent d’augmenter : les maquettes de musée ne sont rien d’autre que des modèles virtuels imprimés en 3D, on peut aujourd’hui explorer un édifice disparu depuis des siècles voir des millénaires, les vestiges architecturaux sont stockés virtuellement dans des bibliothèques numériques, des villes entières sont modélisées au service des divertissements multimédias tels que les films ou les jeux vidéo, etc. Ce mémoire aura pour but de cerner l’intérêt de cette technologie, de déceler ses enjeux, ses alternatives, ainsi que de comprendre les différentes techniques et processus qui permettent l’émergence de toutes ces applications. 9

CHAPITRE I COMPRENDRE LA RESTITUTION Qu’est-ce que l’on entend par restitution ? A quoi sert-elle et quelles sont les différentes méthodes qui ont été employées pour faire perdurer graphiquement l’architecture dans le temps ? Ce chapitre a pour but de définir les différents termes employés tout au long du travail, et de comprendre le lien et le choix de la modélisation comme outil de la restitution par la compréhension des précédentes techniques employées avant celle-ci. 11

1.1 Qu’est-ce que la restitution? 1.1.1 Définition Le terme restitution (du latin, restitutio) signifie littéralement rendre. Dans la discipline de l’architecture, ou encore de l’archéologie, la restitution est la reconstruction physique ou intellectuelle de tout objet endommagé voire disparu dans le but d’en redonner une image. L’utilisation de la restitution est omniprésente dans le monde et dans le temps, depuis le moyen-âge jusqu’à aujourd’hui, et est utilisée un peu partout pour mettre des images sur un patrimoine disparu.

1.1.2 Démarche La restitution repose sur des informations matérielles qu’il faut encore pouvoir retrouver pour pouvoir élaborer des théories aussi justes que possible, d’où l’importance de la

Figure 1 - Façade antique du Colisée avec ajout en filaire de la structure manquante. - (D. Desfougères, F. Tourniquet, C. Jadot, 1994)

première étape, l’acquisition de données. Elle peut se faire de plusieurs façons1 : on peut disposer d’informations physiques, extraites sur un site de fouilles dont le temps aura plus ou moins préservé l’état, ou encore bénéficier de témoignages d’époque (documents textuels, iconographiques,etc.), qui reprendraient par exemple, les règles de construction de tel ou tel élément. Dans tous les cas, cette phase de relevé devra être aussi précise que possible et se faire méthodiquement sur base de comparaisons. Il s’agit ainsi d’élaborer une hypothèse avec des sources aussi factuelles que possible dans une démarche scientifique et objective. Il est alors très important d’éviter de confondre les illustrations et les restitutions. Pour prendre un exemple à l’extrême, la tour de Babel, appuyée par son mythe et ses légendes, aura inspirée de nombreux artistes, mais les illustrations diffèrent autant que l’imagination de chacun d’entre eux. La démarche ici, est tout autre, motivée pour appuyer le culte, et exagérée pour des besoins artistiques. Si ces illustrations ne sont le fruit que de légendes, il est très probable qu’une tour ait bel et bien été érigée sur la ziggurat2 de Babel3 qui pourrait être à l’origine du mythe. Si l’on observe une restitution de la ziggurat de Babylone, le temple de Marduk, on peut voir le gouffre qui sépare l’imagination de l’observation mettant en avant tout l’intérêt de la rigueur que demande la restitution dans sa démarche. Figure 2 - Tour de Babel, peintre flamand inconnu (1587). Figure 3 - Tour de Babel, The Bedford Master, Book of Hours (1423). Figure 4 - Ziggurat, restitution du temple de Marduk. 1 Voir méthodes et processus au deuxième chapitre. 2 Ziggurat ou ziggourat : Édifice religieux d’origine mésopotamienne. 3 Babylone : Ville antique de Mésopotamie située sur l’Euphrate dans ce qui est aujourd’hui le sud de l’Irak.

1.2 L’évolution de la restitution 1.2.1 Approche La restitution n’est évidemment pas un concept nouveau et s’est développé sur différentes époques et sur différents supports (gravures, dessins, peinture,…). Aujourd’hui, les images de synthèse qui retracent le patrimoine architectural ou archéologique disparu sont devenues presque indispensables, nottamment pour séduire un public non averti. Bien entendu, cette évolution découle d’une tradition de restitution qui s’est établie sur plusieurs siècles. Ce point permettra de comprendre l’évolution de la restitution depuis les illustrations graphiques jusqu’à la modélisation tridimensionnelle virtuelle.

1.2.2 La représentation au moyenâge Les illustrations architecturales existaient déjà au moyen-âge comme en témoigne la figure ci-dessus. Cependant, il est évident que la pertinence de ces documents doit être remise en question puisque les règles de dessin et de mesures étaient encore anarchiques : les dimensions étaient incohérentes, les rapports d’échelle hasardeux, et les points de fuite inexistants. Généralement, on dessinait un espace pictural clos où le dessinateur mettait en scène des personnages dans le but de faire ressortir une symbolique sociale ou religieuse. Il faudra ainsi attendre la renaissance, avec l’invention de la perspective géométrique linéaire 1 mais surtout avec l’évolution de l’esprit intellectuel vers un raisonnement scientifique, pour voir apparaître des documents plus pertinents. 1 Perspective : technique de représentation en deux dimensions, sur une surface plane, des objets en trois dimensions tels qu’ils apparaissent vus à une certaine distance dans une position donnée. » Larousse La perspective géométrique linéaire ou classique, est l’application de cette technique à l’aide d’une ligne d’horizon et de points de fuite

Figure 5 - Construction du temple de Jérusalem sur l’ordre de Solomon par Jean Fouquet ( Les Antiquités judaïques 1410-1420 de Flavius Josèphe)

On pourra tout de même citer Giotto qui, au 13-14ème siècle, avait déjà marqué un intérêt pour la représentation de l’espace en trois dimensions. Il dessinait des volumes simples pour encadrer ses personnages et donner un effet de profondeur. Si les règles de représentation n’étaient pas encore toutes acquises, il peut pratiquement être considéré comme un précurseur de la perspective géométrale.

1.2.3 Brunelleschi et la perspective Vers les années 1410-1415, on attribue à l’architecte, sculpteur, artisan et ingénieur, Filippo Brunelleschi, la découverte1 de la perspective linéaire qui permet alors de représenter un espace en trois dimensions sur une toile, en utilisant un unique point de fuite. Brunelleschi se serait tenu sur le porche Ouest de la basilique de Florence avec un miroir et un tableau représentant la vue de celle-ci depuis le porche. Il aurait percé un trou au centre du tableau, retourné le tableau, et regardant à travers celui-ci, comparé la vue réelle, et la scène sur la peinture (très précise) avec l’aide du miroir. Impressionné, par la justesse de la peinture, il chercha à comprendre les règles qui régissent une telle représentation. Il invente ainsi la perspective linéaire, dont il prouve la justesse avec deux tableaux des rues de Florence qui sont aujourd’hui malheureusement disparus. Cette découverte fut ensuite théorisée vers 1435 par Alberti dans Di Pictura ce qui permit la diffusion massive de cette méthode. Il y décrivait comment un artiste pourrait obtenir une vue correcte d’une scène en l’observant à travers un voile fin (ou velo2) sur lequel on traçait la ligne d’horizon de la scène. Cette théorisation donna naissance à plusieurs machines pour s’aider dans la discipline, notamment celles d’Albrech Dürer. 1 Ou la redécouverte puisque certains pensent que les règles de la perspective étaient déjà connues à l’Antiquité et ont été perdues au Moyen-Age. 2 Du latin velum, qui signifie voile

Figure 6 - «Annonciation à Saint Anne», Giotto, vers 1300 PCN

Figure 7 - Basilique de Santa Maria del Fiore, Florence

Figure 8 - Représentation de l’expérience de Brunelleschi

Figure 9 - Perspectographe, une des machines à perspective d’Albrech Dürer

La perspective fut l’élément déclencheur qui permit la création des premières restitutions détaillées à la renaissance.

1.2.4 L’intérêt de l’Age renaissant Dans le courant du 15ème siècle, un renouveau d’intérêt émerge pour l’architecture antique et pour le passé en général. En Italie particulièrement, inspiré par les nombreux vestiges de l’architecture romaine, les artistes et hommes politiques commencent sérieusement à se ré-intéresser au passé et plus précisément à l’Antiquité. Ce contexte donna naissance à un travail tant intellectuel que graphique en comparant les sources archéologiques et textuelles, c’est le début de la restitution architecturale. Ce mouvement d’érudition avança notamment grâce à Andrea Palladio (15081580), qui, motivé par la redécouverte des tra-

vaux de Vitruve3 , restitua de nombreux monuments antiques de Rome. Si Palladio restitua dans l’intérêt de redécouvrir et de rebâtir ce qu’il considérait comme la qualité architecturale perdue, ses illustrations sont toujours appréciées aujourd’hui pour leur précision leur rigueur remarquable.

Figure 10 - PALLADIO, ANDREA (1518-1580). I Quattro Libri Dell’ Architettura, Venice: Domenico De’ Franceschi, 1570.

1.2.5 Classification du patrimoine En France, toujours au 16ème siècle, un élan similaire voit le jour, et l’intérêt de retrouver et/ ou d’égaler le patrimoine monumental existant n’en est pas moindre. Ainsi, de nombreux artistes se lancent dans l’étude des vestiges de la civilisation gallo-romaine et on voit apparaître l’émergence de plans et dessins restituant les dimensions, les proportions, ou encore les ornements des monuments et édifices. Les restitutions se font de plus en plus nombreuses, que ce soit en dessins, gravures, ou peintures. Les architectes et antiquaires feront ainsi progresser la restitution architecturale au cours du 16ème et 17ème siècle avec plus ou moins de précision.

Figure 12 - La Maison Carrée - Hubert Gautier dans «L’Histoire de la Ville de Nismes et de ses antiquités».

3 Architecte romain du 1er siècle ACN, célèbre pour son traité De Architectura reprenant l’essentiel des techniques de construction de l’Antiquité classique.

Figure 11 - Détails constructifs de «la maison carrée», Nîmes.

1.2.6 Le bienfait des expéditions Au 18ème siècle s’opère une accélération des découvertes archéologiques, notamment grâce aux expéditions maritimes de Bougainville ou encore à l’expédition en Egypte1 de Napoléon Bonaparte, qui donna un nouvel essor à la restitution. Ces expéditions embarquèrent quelques géographes et naturalistes qui

1 Référencée dans l’ouvrage Description de l’Egypte (1809-1822) qui contient une vaste bibliothèque de documents graphiques. Figure 13 Charles Balzac, ‘Pyramides de Memphis. Vue générale des pyramides et du Sphinx, prise au soleil couchant’, Description de l’Égypte: ou, Recueil des observations et des recherches qui ont été faites en Égypte (Paris 1822).

avaient pour mission d’inventorier le monde et donnèrent naissance à une véritable restitution scientifique sans précédent. La motivation stratégique de Bonaparte engendra une rigueur militaire pour la restitution des monuments et édifices. Ainsi, les vestiges étudiés sont restitués avec une démarche minutieuse, sans déviation religieuse ou culturelle. Les documents comprennent descriptions, relevés, et interprétations rigoureuses de l’ensemble des données.

1.2.7 L’Académie des Beaux-Arts A partir de la seconde moitié du 18ème siècle, parallèlement à un intérêt croissant pour le patrimoine (grâce nottament à Eugêne Viollet-leDuc) et jusqu’en 1968, ce sont les architectes qui feront grandement avancer la restitution. En effet, l’Académie de France imposait aux jeunes pensionnaires architectes d’envoyer à Paris des relevés d’architecture antique ainsi que leur restitution1. Les architectes ont ainsi produit un nombre considérable de restitutions de monuments romains, puis de l’Italie, de la Grèce et de la Turquie. Ils procédaient par une campagne de relevés qu’ils restituaient sur de grandes planches à l’aquarelle ornée de nombreux détails. Ces planches prestigieuses constituent l’apogée de la restitution graphique non numérique. Il faudra attendre la fin du 20ème siècle avec l’essor informatique pour observer une nouvelle progression dans la restitution architecturale qui se verra forcément évoluer avec le dessin et la conception assistée par ordinateur . Figure 14 - Envois de Rome : le tabularium selon Constant Moyaux (1865-1866)

1 Toutes ces restitutions sont conservées et publiées dans Les envois de Rome (référence en fin d’ouvrage)

1.3 Pourquoi restituer en trois dimensions? Aujourd’hui, il est pratiquement devenu impossible de se passer de l’intérêt de la restitution en trois dimensions. Il suffit d’observer les utilisations toujours plus nombreuses de jours en jours. Si les raisons de modéliser le patrimoine sont de plus en plus variées, elles convergent souvent vers deux objectifs : attirer le grand public et faciliter la pratique.

1.3.1 L’immersion

Une des motivations principales de la restitution en 3D est de rappeler au public que l’histoire urbaine ne se limite pas aux vestiges d’aujourd’hui. Auparavant, si l’on pouvait apprécier les restitutions de vues, cartes ou de plans antiques, il était difficile de s’imprégner du contexte d’une époque. Par exemple, pour la restitution de la maison des Dieux Océan, un énorme travail de reconstitution a été mis en place à partir des excellentes restitutions graphiques de Jean Claude Govin. L’objectif de la modélisation était simple : faire voyager le spectateur à l’intérieur de l’univers 24

Figure 15 - Théorie de restitution de la Maison des Dieux Océan, d’après une aquarelle de Jean-Claude Golvin - 2010.

graphique de l’illustrateur. Si l’on possède maintenant des cartes et des relevés d’exception pour comprendre l’histoire, il est certain qu’elles restent difficiles à lire ou ne parlent pas au plus grand nombre. Dans un élan de diffusion culturelle, la traduction de ces documents dans un langage accessible à tous devient indispensable, ou du moins tant qu’elle se fait sans altérer les contenus scientifiques. On peut citer par exemple, l’animation réalisée par l’archéologue Marc Azéma où la caméra promène le spectateur dans la Corse antique. En plus d’être pleinement immersif, le film offre des comparaisons entre l’état antique et actuel.

1.3.2 La diffusion

Figures 16 - Deux extraits du documentaire «Corse beauté antique» - Réalisé par Marc Azéma - Infographie par Olivier Moreau Figure 17 - Restitution du Colysée en réalité augmentée par la firme Altaïr

L’application des techniques informatiques à la reconstitution architecturale offre de nouvelles perspectives de méthode. Toutes les sources documentaires, écrites ou illustrées, peuvent être numérisées, ce qui va nous permettre de les visualiser aisément à différentes échelles. Ainsi, il est maintenant possible d’agrandir directement le modèle numérique à échelle humaine ce qui va d’abord permettre de tester diverses hypothèses de manière interactive, et ce qui va ensuite favoriser la diffusion, puisque la modélisation appartient avant tout aux multimédias et son affichage est donc aussi aisé que ce soit sur écran, ordinateur, smartphone, etc…

1.3.3 Extrapolation et remise en question Le travail de restitution en 3D est un véritable dialogue entre archéologues et artistes. Il va obliger l’archéologue à se poser de nouvelles questions en le projetant dans une représentation qui le pousse à sortir des vestiges physiques. L’image physique ne pouvant contenir de « vide », l’archéologue devra composer avec l’absence ou la rareté des indices et imaginer raisonnablement le contexte proche. Il est souvent nécessaire pour lui de dépasser la vision planimétrique qu’il connait des vestiges pour proposer une troisième dimension. Cela constitue un exercice et un dilemme compliqués pour les archéologues, qui sont normalement tenus de se tenir à la réalité factuelle de par leur profession. Cependant les théories de restitution vont permettre de créer un dialogue qui posera des questions dans les deux sens, et poussera les archéologues à se réinterroger sur les vestiges.

1.3.4 Dématérialisation du support Un autre avantage de la modélisation numérique est d’éviter toute contrainte de place. Une maquette de la Rome antique à l’échelle 1 :400 occuperait environ 70 m². Si c’est déjà une surface importante pour un seul modèle, on peut aisément imaginer les problèmes dans les cas fréquents où le projet demanderait les restitutions de plusieurs époques ou de plusieurs hypothèses. Le stockage numérique quant à lui est potentiellement illimité puisqu’il ne dépasse pas l’encombrement du support de stockage (disques durs). D’ailleurs, il existe plusieurs bibliothèques numériques dédiées au patrimoine.1

1 On peut par exemple citer le conservatoire national ArcheoGRID au CNRS de Bordeaux.

Figure 18 - Maquette de Rome dparPaul BIGOT, exposée à l’université de Caen.

1.3.5 Modifications éventuelles La modification éventuelle du modèle peut également poser problème, et ce, que l’on travaille en restitution graphique en deux dimensions ou en maquette. D’autant que dans ces deux derniers cas, il s’agit souvent d’expositions ou d’archives classées à l’inventaire des Monuments historiques qui sont donc protégées en vue de marquer le stade de connaissance d’une époque. Il faut garder à l’esprit que le travail de restitution demande de nombreuses phases d’expérimentation et donc les modifications sont souvent fréquentes et indispensables. L’avantage du modèle virtuel est donc sa capacité à être mis à jour autant de fois que nécessaire tout en conservant ou non les versions antérieures. 27

CHAPITRE II METHODOLOGIE Ce chapitre aura pour but de comprendre le processus de modélisation du patrimoine, d’énoncer et de déchiffrer les différentes méthodes qui le compose et finalement, de comparer chacune d’entre elles afin de comprendre leur utilité et leur potentiel respectif.

2.1 Méthodologie générale Le principe général de la modélisation architecturale est relativement simple et peut être expliqué par un algorithme reposant sur trois étapes successives : L’acquisition des données, le traitement des données et la modélisation.

demeurera la plus importante. C’est bien cette phase qui va dépendre de la rigueur scientifique nécessaire à retranscrire le plus fidèlement possible la réalité. Ainsi, l’idée pour obtenir une reconstitution aussi fidèle que possible, va être de préserver l’intégrité des données brutes, sans en déformer le contenu lors de la conversion en données logiques.

-L’acquisition, consiste à stocker les informations d’un site afin de les transformer en données brutes, non libre d’interprétation, prêtes à être utilisées par la suite. On parle aussi de phase de relevé.

Si ce sont bien ces trois étapes qui composent tout processus de modélisation, il existe plusieurs techniques de modélisation qui induiront des variations dans chacune de ces trois étapes.

2.1.1 Principe

-Le traitement, est l’étape qui va permettre de sélectionner, d’interpréter et de convertir les données afin de les réorganiser. -La modélisation, est l’étape de réassemblage des données pour reconstituer le modèle d’origine. Cette phase utilise les données logiques, qui sont celles converties dans la phase de traitement. Si les trois phases sont indispensables à toute modélisation, c’est l’étape du traitement qui

Figure 19 - Illustration du processus de modélisation - BEGRICHE (Reda), 2003

2.1.2 Méthodes

sur des supports variables (textes, peintures, vestige similaire, etc.).

La modélisation du patrimoine en trois dimensions n’est plus une technique nouvelle. Elle s’est développée au fil des dernières années, jusqu’à la diversification du processus en plusieurs méthodes différentes. Celles-ci divergent d’abord selon deux optiques d’approche : la restitution de vestiges disparus et la numérisation de vestiges existants.

-La numérisation de vestiges existants est fondée sur un principe d’acquisition numérique pour des vestiges archéologie encore existants totalement ou partiellement conservés. Il existe aujourd’hui deux types d’acquisition numérique principaux : la scannographie et la photogrammétrie.

-La restitution de vestiges disparus est fondée sur un travail comparatif et une étude exhaustive de vestiges similaires. Elle nécessite une longue phase d’acquisition des données qui reposera sur les informations disponibles

Il va être souvent nécessaire de combiner les deux approches dans le processus de modélisation. Celles-ci sont complémentaires si les vestiges d’un site sont pertinents et valent la peine d’être numérisés.

En conséquence, on retrouve principalement trois approches de modélisation architecturale qui diffèrent dans leur méthode d’acquisition des données : -La modélisation de vestiges disparus (1ère approche): Se faisant à partir de tout témoignage d’époque disponible, cette méthode est principalement utilisée pour imager des hypothèses puisqu’elle se base sur pas ou peu de vestige matériel. -La modélisation de vestige existants : Se faisant à partir de vestiges plus ou moins bien préservés, elle reprend les deux techniques de numérisation les plus utilisées aujourd’hui dans le domaine de la restitution du patrimoine : la lasergrammétrie et la photogrammétrie. En découle respectivement les deux méthodes suivantes : -La modélisation par relevé laser (2ème approche). -La photomodélisation (3ème approche).

2.2 La restitution de vestiges disparus 2.2.1 Faisabilité et expérimentation La restitution des édifices disparus tente de résoudre leur compréhension et constitue ainsi une aide précieuse pour l’architecture (même si on entre dans le domaine de l’archéologie1 ). Comme nous l’avons vu, il s’agit avant tout d’un travail de recherche qui nécessite une étude approfondie. Il s’agit de reconstruire les parties manquantes d’un édifice à partir des données du terrain, de sources et d’hypothèses scientifiques. Le travail infographique est secondaire dans la procédure, il s’agit bel et bien d’une démarche scientifique qui nécessite des expertises archéologies, historiques, épigraphiques, architecturales, et par la suite, de l’ingénierie 3D. Si le modèle 3D sera utilisé pour la représentation, il demeure également important dans la composition. Après la démarche scientifique, on produit un premier modèle 3D, appelé version V0 qui va permettre de confirmer ou d’infirmer les hypothèses de restitution, mais Figure 20 - Cirque Maxime, vue à hauteur d’homme sur la spina Archeovision 2007

1 Larousse : « Etude des civilisations anciennes réalisée à partir des vestiges matériels d’une activité exercée par les hommes, ou à partir des éléments de leur contexte. »

aussi d’induire de nouvelles réflexions. S’organise alors divers séminaires de recherches pour chaque version du modèle où les intervenants s’interrogent sur les problématiques générées par la modélisation des idées reçues. Les experts pourront vérifier la pertinence de leurs hypothèses autour des images générées par le modèle, voire même d’une maquette 3D imprimée via le modèle numérique. Les avantages sont multiples, notamment celui de pouvoir visualiser l’édifice ou le site avec des vues issues du modèle à l’échelle 1/1. Les corrections éventuelles vont générer un nouveau modèle pour ensuite repasser aux vérifications et ainsi de suite jusqu’à satisfaction des différents experts. La restitution de vestiges disparus repose donc sur une confrontation de différents champs scientifiques qui vont permettre d’émettre des hypothèses aussi justes que possible. Il n’est alors pas question de preuve scientifique puisque la véracité des hypothèses induites par le modèle ne peut être vérifiée que par une démonstration dans une publication scientifique.

En effet, si les restitutions sont basées sur une étude longue et rigoureuse, on reste dans le domaine de l’interprétation et de la théorie subjective. Par exemple, on peut comparer les figures 20 et 21 (cirque Maxime de Rome). Les points communs ont beau être multiples, on se rend directement compte que les théories comportent toutefois de nombreuses différences. La véracité historique n’est pas aisée à cerner, mais les deux projets permettent toutefois de se faire une très bonne idée du contexte de l’époque.

Figures 21 - Deux restitutions 3D du Circus Maximus – Progetto Traiano

2.2.2 Mise en situation, « A la redécouverte du château de Montaigne » En 2003, la firme Archéovision (issue du CNRS1 ) travaille sur une documentation descriptive du château de Montaigne. Le dessin général est la reconstitution de l’environnement de Montaigne ainsi que de déterminer s’il existait bien une maison originelle destinée à défendre la seigneurie avant le 15ème siècle. L’étude se focalise sur deux autres objectifs : la réalisation d’une animation mettant en avant l’évolution du château et l’exploitation d’une banque de données numérisée interactive via le modèle 3D. Bien que le château de Montaigne existe toujours aujourd’hui, on parle bien de restitution de vestige disparu. Il faut savoir que le corps principal du château a été détruit en 1885 au cours d’un énorme incendie. Seuls sont préservés le mur d’enceinte, les tours, et le porche d’entrée. Le château a ensuite été sujet à une reconstruction rapide dans un style architectural du 19ème siècle sans imiter le patrimoine originel. Ainsi, l’équipe de restitution a dû lancer une démarche scientifique en procédant par une série d’approches successives faites en remontant le temps jusqu’à l’époque de l’incendie. Le mur d’enceinte dont les tours sont encore existantes, ne permet pas de comprendre le style architectural du château. Les vestiges ne vont ici donner que des informations sur la matérialité du château, et n’autorisent au final qu’à élaborer des hypothèses. Il est donc crucial de reconstituer un dossier documentaire aussi exhaustif que possible, relatant de l’état des lieux et de leurs transformations à travers les siècles. Ici, l’équipe a réuni des documents qui retranscrivent l’histoire du château du 15ème au 19ème siècle. Il s’agit 1 Centre National de la Recherche Scientifique pour la France

Figure 22 - Lithographie du Château de Montaigne - Marie Payen. Figures 23 - Vue actuelle du Château de Montaigne (après sa restauration de 1890).

Figures 24 - Restitution 3D du porche et de la tour d’entrée depuis la cour.

principalement de deux types de documents : les sources textuelles qui sont des actes notariés, des récits de voyages et de visites, et des sources iconographiques, à savoir des dessins, gravures, cartes et plans. Tous ces documents doivent pouvoir être datés pour constituer une source pertinente. Dans ce cas-ci, les chercheurs ont acquis une multitude de documents qui leur ont permis de modéliser une première version du château tel qu’il était peu avant sa restauration de 1865. Figure 25 - Restitution 3D de la librairie de Montaigne.

Figures 26 - Deux reconstitutions de façades du 19ème siècle issues du modèle 3D. - Archeovision

Le modèle numérique final devra permettre de visualiser les restitutions architecturales proposées telles que perçues par les auteurs des sources à leurs époques respectives. Véritable bibliothèque numérique, il ne suffit que de quelques clics pour extraire du modèle des restitutions d’élévations, de perspectives, d’ambiances intérieures, etc.

Figure 27 - Reconstitution d’une perspective du château au 19ème siècle vuz depuis la cour centrale. Archeovision.

Figure 28 - Scanner procédant au relevé laser en vue d’acquérir les données cartésiennes d’une église.

2.3 La numérisation par scanner 3D 2.3.1 Définition et méthodologie Cette technique de modélisation est basée sur le principe de lasergrammétrie qui se définit logiquement comme la mesure par laser/scanner 3D. On peut comparer les relevés laser à des photographies 3D du site mesuré. Concrètement, un système de relevé par laser va permettre de mesurer un objet dans sa globalité. Un scanner 3D est un instrument qui va permettre de connaître la position dans l’espace d’un objet en mesurant ses différents points de manière automatique et systématique à une cadence importante (des centaines voire des milliers de points par seconde). On retrouve principalement deux types de scanner fréquemment utilisés en modélisations du patrimoine. Ceux fonctionnant par triangulation, et ceux fonctionnant par temps de vol.

Le laser par triangulation Le laser pointe le sujet avec un faisceau et utilise un appareil photographique pour situer le point en captant la lumière renvoyée. La position du laser, du scanner et leur orientation étant connues, on peut aisément déterminer les coordonnées spatiales. Ce système est semblable à celui utilisé par la photomodélisation (voir point 2.4.3). Figure 29 - Principe du laser par triangulation

Scanner par temps de vol Une autre méthode fréquemment utilisée est celle du scanner par temps de vol. Ce scanner utilisé également un faisceau laser pour sonder le sujet. Il fonctionne en fait de la même façon qu’un télémètre1 qui calcule le temps nécessaire au trajet aller-retour d’un faisceau laser réfléchi contre la cible. Connaissant la vitesse de la lumière (c), si t est le temps de retour alors la distance du point par rapport au scanner est de (c.t)/2. La précision du scanner dépend donc de sa capacité à mesurer le temps de vol (qui se compte en picosecondes2 ).

1 Le télémètre est un appareil de mesure par pointage laser. 2 Une picoseconde vaut 1.10-12 seconde

Figure 30 - Scanner par temps de vol, procédant au relevé d’une cathédrale.

2.3.2 Acquisition des données Ces technologies sont couplées à un dispositif mécanique qui permet d’augmenter le nombre de points relevés par balayage. Elles sont généralement pilotées par un ordinateur, qui permet de visualiser l’acquisition des points en direct. Il faut savoir qu’on utilise différents scanner en fonction de la portée de l’objet, de sa taille, et de la précision souhaitée. Généralement, la profondeur de champ peut varier de 1 à 60 m, et la précision, de 1 à 5 mm. Elles ont pour limitation les principes de l’optique : toute partie cachée ou zone d’ombre nécessitera la multiplication de prises de relevé par différentes positions du laser autour de la cible. Les scanners ne nécessitent aucune lumière extérieure pour fonctionner. Ils s’adaptent automatiquement à la lumière réfléchie par l’objet mesuré. En principe, on opèrera dans une ambiance lumineuse faible, voire même de nuit, pour éviter toute perturbation lumineuse. Par ailleurs, on peut également enregistrer des vues de la scène par caméra vidéo qui pourront être utilisées par la suite pour donner un rendu plus réaliste à la restitution. Finalement, le scanner va fournir à l’ordinateur ce que l’on appelle un nuage de points. Il s’agit des coordonnées cartésiennes d’un ensemble de points correspondant à l’emplacement spécifique du scanner. Ils apparaissent toujours sous forme de points directement replacés dans un espace cartésien tridimensionnel. En somme il ne s’agit ni plus moins que d’un fragment de modèle numérique sans face ni arrêtes, seulement des sommets. Généralement, les points sont tellement nombreux qu’on obtient déjà une très bonne impression de la scène. Après chaque scan, les nuages de points sont stockés progressivement et des données permettant de retrouver leur point de vue leur sont associées. Ainsi, plusieurs relevés pourront être complémentaires afin de restituer chaque côté du modèle avec précision. L’étape 42

suivante consiste à assembler les nuages de points relevés par les différentes prises de vue du laser. Pour citer l’exemple ci-dessus, les scanners, en plus des relevés au sol, ont opérés des prises de vue depuis les toits environnants afin de saisir avec exactitude la couverture de la cathédrale. La précision du modèle dépendra donc directement des positions du scanner par rapport au modèle original, de la complémentarité des vues, et du nombre de points relevés par le laser. En pratique, un scanner va pouvoir extraire les coordonnées de dizaines de millions de points.

Figure 31 - Nuage de points généré par la pose d’un scanner 3D sur une toiture environnante. - Cathédrale de Reims - Life3D

2.3.3 Traitement des données La consolidation Après le relevé, il faut donc pouvoir interpréter les données brutes telles que saisies par le laser et les fusionner. On procède ainsi à une phase dite de consolidation. Par l’intermédiaire d’un logiciel1 , on va rassembler tous les nuages de points issus des différents points de vue dans un repère cartésien commun. Grâce aux repères associés aux nuages de points, cette étape est pratiquement automatisée par le logiciel. Il est toutefois possible de contrôler l’assemblage si nécessaire. Les repères permettront de rectifier la position des différents nuages pour les faire correspondre parfaitement. Une fois les différentes vues synchronisées, on peut procéder à la fusion des différents nuages de points afin d’obtenir un seul et unique modèle dans un seul espace tridimensionnel.

Figure 32 -Principe de consolidation - Centre de Recherche en Architecture et en Ingénierie. 1 On peut citer par exemple, le logiciel 3D Ipsos

La segmentation Il s’agit d’une étape qui va permettre de rassembler des points en différents groupes pour correspondre à des éléments de l’édifice. Elle n’est pas obligatoire, mais facilite grandement les manipulations ultérieures du modèle numérique. Elle sera même indispensable pour appliquer avec précision des textures par exemple. La segmentation consiste donc à isoler manuellement des zones de l’espace de visualisation afin de créer des sous-ensembles hiérarchisés. C’est une opération de classement qui va permettre de donner une identité aux points du modèle. Par exemple, on va rassembler tous les points qui représentent la toiture dans un même groupe ; puis, dans ce groupe, on rassemble tous les points qui forment la charpente dans un sous-groupe; puis dans ce sous-groupe, on peut encore différencier chacune des poutres dans d’autres sous-ensembles ; etc. Cette opération va donc varier selon les besoins de manipulation du modèle et plus généralement, selon l’objectif du modèle restitué. Après ces étapes de consolidation et de segmentation, les données brutes, ont été converties en données logiques, qui vont permettre la modélisation de l’édifice.

La segmentation consiste donc à isoler manuellement des zones de l’espace de visualisation afin de créer des sous-ensembles hiérarchisés. C’est une opération de classement qui va permettre de donner une identité aux points du modèle. Par exemple, on va rassembler tous les points qui représentent la toiture dans un même groupe ; puis, dans ce groupe, on rassemble tous les points qui forment la charpente dans un sous-groupe; puis dans ce sous-groupe, on peut encore différencier chacune des poutres dans d’autres sous-ensembles ; etc. Cette opération va donc varier selon les besoins de manipulation du modèle et plus généralement, selon l’objectif du modèle restitué. Après ces étapes de consolidation et de segmentation, les données brutes, ont été converties en données logiques, qui vont permettre la modélisation de l’édifice.

Figure 33 - Illustration du principe de segmentation - CRAI (Centre de recherche en Architecture et Ingénierie).

2.3.4 Notions de modélisation Si la méthodologie jusque maintenant était la même, la phase de modélisation sera variable selon la représentation finale du modèle. Le CRAI1 discernee trois manières de représenter un édifice : l’édifice dans son état actuel, dans sa construction originelle et sa reconstitution. Il est pertinent de décrire brièvement les trois principes afin de faciliter la compréhension. Le modèle dans son état actuel Il représente un objet conformément à sa situation actuelle. Il est simplement question de modéliser le sujet tel quel, peu importe son état de préservation. C’est la modélisation la plus facile à exécuter, puisqu’elle ne nécessite pas d’autres informations que celles relevées par le scanner. Cette méthode n’induit donc aucune déformation subjective, elle génère un modèle 3D pertinent dont la qualité dépend uniquement de la précision des mesures et du processus d’élaboration du modèle. Le modèle dans sa construction originelle Le principe est de retrouver l’état originel de l’élément relevé tel qu’il a été construit à la base. Il se réalise en intégrant les mesures effectuées depuis le modèle original sans la moindre extrapolation. Il sera utilisé en archéologie pour masquer des défauts mineurs, comme l’érosion de la pierre ou les éventuels effets du temps. La numérisation va permettre de retrouver les règles constructives à l’origine du modèle, afin de pouvoir modéliser une image de synthèse, épurée des dégâts extérieurs mineurs.

1 Le Centre de Recherche pour l’ Architecture et l’Ingénierie

Figure 34 - Modèle 3D numérisé par relevé laser dans son état érodé, Archeogrid.

Figure 35 - Recherche de la construction originelle, successivement: Photographie du modèle, numérisation en nuage de points, maillage, coupe du modèle CAO, image de synthèse.

Reconstitution La reconstitution implique que les relevés laser, seuls, seront insuffisants. Elle nécessite de compléter le modèle par l’expertise de diverses spécialistes (archéologues, architectes, historiens, etc.). Ils devront alors valider les hypothèses de validation pour arriver à la conclusion d’un modèle reconstitué. Il s’agit donc d’une phase similaire à celle de la restitution de vestiges disparus, avec pour différence, la présence de vestiges existants qui permettent d’avoir une partie du modèle numérique juste, donnant plus de crédit aux hypothèses des chercheurs. On peut citer un très bon exemple de reconstitution 3D sur base de vestiges existants, celui du pont d’Avignon. Figure 36 - Maquette 3D Revit de la cathédrale de Reims, générée depuis un nuage de points, Life3D.

Après quatre années de recherches scientifiques, une équipe de 43 chercheurs et de nombreux ingénieurs informaticiens pilotés

par le MAP 1, est parvenue à opérer une reconstitution complète du pont à moitié disparu tel qu’il aurait pu être il y a 400 ans. Certains chercheurs étaient chargés d’étudier les sources manuscrites et les destins d’époque, d’autres étaient à la recherche de vestiges archéologiques, d’autres encore chargés de localiser les anciennes piles du pont, etc… A l’aide de ces sources, de relevés scanner 3D, d’échographies sous-fluviales, d’opérations de carottage, d’interprétations diverses, et de modélisation 3d, une reconstitution du pont sans précédent a pu voir le jour. Ses utilisations sont multiples, il s’agit d’images de synthèses, d’animations réalistes, et bientôt, d’un projet de réalité augmentée, qui permettra aux touristes de voir la restitution en direct depuis une tablette numérique ou un smartphone.

Figure 37 - Vue aérienne du Pont d’Avignon - French Moments

1 MAP : Modèle et simulations pour l’Architecture et le Patrimoine, branche issue du Centre Nationnal de Recherche Scientifique.

Figure 38 - Images issues de l’animation, «Le pont d’Avignon en 3D», MAP 2014

2.3.5 La modélisation Le Maillage Le maillage est une méthode de modélisation qui est fréquemment utilisée pour restituer un modèle dans son état actuel . Il s’agit d’un outil qui opère automatiquement, présent dans la plupart des logiciels de modélisation. Cet outil repose sur un algorithme destiné à construire des facettes entre les différents points d’un nuage, on parle aussi de polygonisation. Il relie les différents points par des calculs de triangulation, tout en procédant à une simplification plus ou moins modérée afin d’éviter d’alourdir le modèle. Si on désire restituer un objet dans son état de construction originelle, c’est à ce moment qu’il faudra corriger le modèle ou combler les trous provoqués par les dégâts du temps. On pourrait comparer le nuage de points au squelette du modèle, et le maillage, à la peau qui viendrait recouvrir chaque point de ce squelette. Cette technique permet de modéliser des nuages complexes, et son utilisation est donc appliquée aux éléments architectoniques ou archéologiques fortement détaillés (statues, friches, ornementations architecturales, etc.)

La modélisation géométrique Les autres méthodes utilisent des techniques de modélisation géométrique. Elles seront basées sur l’utilisation des nuages de points comme référentiel de mesure et vont différer fortement selon le type de restitution souhaitée. Il existe une infinité de méthodes pour modéliser et restituer la forme finale à partir des données logiques segmentées. La méthode va dépendre des logiciels utilisés, et de la complexité du modèle à restituer. Il sera souvent nécessaire de croiser ces différentes 50

Figure 39 - Colonne des danseuses, Delphes - A gauche, colonne maillée dans son état actuel remonté ; à droite, colonne restituée dans son état de construction originel. - Archeovision

méthodes pour arriver au terme d’un projet de restitution. On ne peut donc évidemment pas détailler ces techniques et le croisement de celles-ci, puisque la procédure de modélisation d’un projet de restitution est unique et spécifique aux caractéristiques du modèle. On peut cependant différencier quelques principes de base de la modélisation géométrique. -La modélisation par les primitives géométriques : il s’agit de procéder à la modélisation par le biais de primitives géométriques tel que le point, le segment, la courbe, la boite, etc. Il s’agit d’une méthode de simplification des formes complexes, en formes géométriques 3D. Cette méthode est généralement assez longue et peu adaptée pour des modèles aux détails complexes. -La modélisation par reconnaissance automatique et reconstitution : on utilise des outils de géométrie différentielle qui vont permettre la segmentation automatique des nuages de points. Cette technique fonctionne surtout pour reconnaître des formes cylindriques et peu singulières. Elle est surtout utilisée à des fins d’ingénierie pour modéliser des tuyaux ou pipeline. -La modélisation à partir de bibliothèques: il existe aujourd’hui des bibliothèques numériques qui contiennent des éléments pré-modélisés aux dimensions paramétrables. Cette méthode est évidemment limitée au choix proposés et est généralement peu adaptée au travail rigoureux de la restitution. Après la phase de modélisation, il est toujours possible de procéder à la texturation du modèle par diverses techniques de montage infographiques. Pour plus de réalisme, on peut appliquer des textures au modèle en complétant le relevé laser par un relevé photographique. Cette méthode, détaillée au point suivant, nécessite donc un croisement des techniques de relevé laser et des techniques de photomodélisation. 51

Figure 40 - Nuage de points acquis par photomodĂŠlisation. Affichage des informations colorimĂŠtriques. - Keris Studio

2.4 La photomodélisation 2.4.1 Définitions et méthodologie « La photomodélisation fait référence à l’utilisation de photographies pour conduire à la reconstruction tridimensionnelle d’objets réels.»1 La photomodélisation est donc une technique d’acquisition de données par la photographie. Cette dernière est devenue un atout majeur dans la conservation et l’archivage du patrimoine. Appliquée à l’architecture, elle permet de documenter l’état actuel des bâtiments historiques, et via la photomodélisation, de restituer en trois dimensions les éléments architectoniques de ce patrimoine architectural. La photomodélisation consiste donc à extraire directement des photographies toutes les données nécessaires aux phases de relevés, de modélisation et de représentation. On entre en fait dans le domaine de la photogrammétrie2. 1 Livio De Luca, architecte et coordinateur du projet « 3D Monuments » 2 Photogrammétrie : « Technique permettant de déterminer les dimensions et les volumes des objets à partir de mesures effectuées sur des photographies montrant les perspectives de ces objets ». CNRTL

2.4.2 Origine La photogrammétrie est une conséquence directe de l’invention de la perspective. Nous pouvons donc compléter son évolution chronologique en y ajoutant les différentes étapes successives qui mèneront à la création de la photogrammétrie. Depuis la machine d’Albrecht Dürer au 15ème siècle (CF 1.2.2) qui permettait de faire le lien entre la perspective optique et la représentation géométrale, de nombreux progrès ont permis de comprendre davantage la représentation bidimensionnelle. On peut citer Léonard De Vinci qui définissait la perspective comme telle au 16ème siècle : « La perspective n’est rien d’autre que de voir un objet derrière une vitre plane et bien transparente, dont la surface contient toute les choses qui sont derrière : elles peuvent être ramenées au point de l’œil par des pyramides, et ces pyramides coupent la vitre mentionnée ». LDV L’apport de De vinci ne se limite pas uniquement à cette perspective pyramidale, puisqu’il va en tirer l’expérience dite de la « camera obscura » qu’il définit de la sorte en 1515 : « En laissant les images des objets éclairés pénétrer par un petit trou dans une chambre très obscure, tu intercepteras alors ces images sur une feuille blanche placée dans cette chambre […] mais ils seront plus petits et renversés. » LDV Cette expérience peut paraître hors propos, et pourtant, il s’agit bel et bien du principe de la photographie. Le procédé se verra progressivement amélioré par l’utilisation d’une lentille, d’un diaphragme, d’un écran à surface photosensible et d’un miroir incliné à 45° donnant naissance au premier appareil photographique vers 1826 par Joseph Nicéphore Niépce. Son invention sera encore améliorée ultérieurement notamment par Louis Daguerre 54

Figure 41 - Gravures représentant Albrecht Dürer et son perspectographe

Figure 42 - Représentation pictorale de la Camera Obscura au 16ième siècle

Figure 43 - « Point de vue de Gras », photo expérimentale de Niépce en 1826

qui découvrira le principe de développement de l’image latente (raccourcissant le temps de pose à quelques dizaines de minutes) et qui fit promouvoir son invention en 1839. Il faudra encore dix années pour que le spécialiste de l’instrumentation Aimé Laussedat imagine l’utilisation des perspectives dessinées comme des documents mesurables. Il prend parti qu’il est possible de reconstituer un faisceau perspectif formé par l’ensemble des rayons visuels partant de tous les points d’une construction vers l’œil de l’observateur. Il qualifie sa méthode de Métrophotographie. De fait, il demeure la première personne à identifier le potentiel de la représentation photographique à extraire des mesures et coordonnées spatiales.

Figure 44 - Vue du bureau de Laussedat, 1850

Figure 45 - Principe de la photogrammétrie

Sa méthode peut être résumée comme telle : De la perspective, on sait qu’une scène tridimensionnelle peut être projetée sur un plan en deux dimensions. Cela signifie qu’un point dans l’espace photographié est situé à une distance inconnue quelque part sur un axe formé par le point et la lentille de l’appareil photographique. Par contre, si ce même point est photographié selon deux points de vues différents, de positions et d’orientations connues, on peut déduire que ce point sera situé à l’intersection des deux axes, et sa distance peut être déterminée par un simple calcul trigonométrique. Cela signifie, qu’il suffit de connaitre les coordonnées de C1 et de C2, soit la position des appareils photographiques, ainsi que leur orientation (beta et gamma) pour retrouver la position de tout point P situé dans le champ de vision des deux appareils. C’est le principe de la triangulation. On peut ainsi connaître la position de tout point situé sur deux photographies différentes prises à des positions et orientations déterminées. C’est la base même de la photogrammétrie. Au final, la technique prendra concrètement 55

forme au début du 20ième siècle, lorsque Von Orel construira le premier restituteur analogique capable de déterminer la taille et la forme d’un objet deux fois photographié. La technique évoluera encore plusieurs fois jusqu’en 1937 où l’on voit apparaitre le premier instrument universel permettant de calculer la triangulation à partir de toute sorte de photographies. Ces appareils étaient dédiés à l’étude topographique en vues du créer des cartes à grandes échelles à partir de photographies. Dans les années 1970, les technologies analogiques finirent par laisser place à la révolution électronique d’abord, puis à la révolution informatique. L’évolution s’est faite si rapidement qu’aujourd’hui, n’importe quel ordinateur est capable de mesurer selon des algorithmes mathématiques la position des points à partir de plusieurs photos. Il en devient même impressionnant que certains logiciels1 n’ont plus besoin de connaître la position des photographies prises. Ils calculent eux même la position et l’orientation des photos qui leur sont fournies si on pose près de la cible un repère aisément identifiable (le rendu sera moins précis et plus difficile à gérer). Parallèlement, avec la photographie devenue accessible sur n’importe quel smartphone, l’avenir de la photomodélisation semble plutôt prometteur.

Figure 46 - Exemple d’un premier appareil photogrammétrique commercialisable, «The Wild A5 autograph», 1937

1 On peut citer le logiciel Autodesk 123D Catch disponible gratuitement et très intuitif ou des logiciels destinés aux professionnels tel que Photomodeler, 3Dsom, etc.

2.4.3 Processus Pour la photomodélisation, la démarche se différencie légèrement du plan général vu au point 2.1.2. La raison est que l’élaboration du modèle 3D va passer par l’expression géométrique du modèle photographié et qu’il faudra déterminer l’aspect des surfaces de ses différentes parties. Les trois phases du processus de modélisation peuvent ainsi être précisées plus spécifiquement pour correspondre aux besoins de la photomodélisation. On obtient donc dans l’ordre chronologique les trois étapes suivantes : l’acquisition des coordonnées spatiales, la reconstitution tridimensionnelle et la restitution de l’apparence visuelle.

Figure 47 - Plan schématique de l’acquisition des données par photographies

Une différence majeure liée à la photomodélisation est la phase de relevé ou d’acquisition des données. La photographie va d’une part permettre d’obtenir les coordonnées spatiales de l’objet, et d’autre part, elle a le potentiel de relever la texture du site ou du bâtiment étudié. Cela signifie que l’on pourra réutiliser cette texture dans la phase de restitution afin d’obtenir un modèle 3D similaire au modèle original. Cette différence va influencer la phase de relevé photographique qui devra pouvoir capter les textures de l’objet sans déformation de lumière par exemple, et il faudra ajouter une étape d’extraction des textures dans le processus de modélisation.

2.4.4 L’acquisition des coordonnées spatiales La première étape de la photomodélisation est donc le relevé photographique, on parle d’acquisition des coordonnées spatiales. L’objectif de cette étape sera de relever la morphologie, les dimensions et les aspects de surface du modèle étudié. S’il est nécessaire d’avoir au moins deux images pour connaitre les coordonnées spatiales d’un point, il en faudra beaucoup d’autres en fonction de la complexité et de la forme du modèle. 57

Par exemple, dans le cas d’une colonne antique, on prendra une photo autour de la cible approximativement tous les 45°. Et il faudrait refaire la même chose deux fois à des hauteurs différentes pour numériser le dessus et le dessous de la colonne. Le nombre de photographies n’est pas imposé, mais au plus elles sont nombreuses, au plus le modèle sera détaillé. Par ailleurs, si l’on voudrait modéliser uniquement une façade, seul deux ou trois vues à des angles différents suffiraient. N’oublions pas qu’il est nécessaire de déterminer précisément la position et l’orientation dans l’espace de chacun des appareils photographiques. Il faudra ensuite sélectionner un ensemble de points de repères dans une photographie, et les associer à leur position sur une autre photographie, et ainsi de suite pour chacune des photos de la scène. Il s’agit de faire comprendre au logiciel, quel point dans une photographie, se retrouve dans une autre. Lorsque les correspondances sont faites, on procède à la phase de calibration et d’orientation des caméras qui va permettre de créer les relations entre les points de vue des caméras, leur position dans l’espace, les coordonnées des points de repères ciblés, et les photographies. Il en résulte la connaissance spatiale de chacun des points de repères qui seront représentés en un nuage de points dans l’espace. La position et l’orientation des appareils photographiques seront également représentées sous forme de cône. Il sera toujours possible d’intégrer de nouvelles photographies au modèle pour corriger les éventuels défauts ou imprécisions

2.4.5 La reconstruction tridimensionnelle L’étape de reconstruction tridimensionnelle consiste à construire le modèle géométrique de la scène en s’appuyant sur les mesures calculées à partir de la phase de relevé photographique. A partir des nuages de points, il 58

Figure 48 - Nuage de points générés par le relevé photographique – L. de Luca

existe diverses méthodes qui procèdent à une reconstruction manuelle, automatique ou encore semi-automatique des surfaces. On peut ainsi construire une représentation tridimensionnelle reliant l’ensemble de ces points afin de restituer la géométrie des éléments photographiés. Il s’agit donc de retrouver la géométrie de la scène étudiée en ajustant le positionnement ou l’orientation des primitives géométriques générées par les nuages de points. Une fois la géométrie modélisée, on obtient un modèle 3D classique que l’on pourra aisément ajuster par des opérations plus ou moins complexes à partir des sommets, arrêtes et faces propres à toute modélisation tridimensionnelle. .

Figure 49 - Nuage de points générés par le relevé photographique – L. de Luca

2.4.6 Restitution de l’apparence La dernière phase traite, comme dans tout processus de modélisation, du rendu de la restitution. Il va être question de donner au modèle 3D un aspect similaire au modèle d’origine. On va ainsi enrichir la géométrie par des ajouts capables de retranscrire les aspects de surfaces du modèle. On va procéder en associant au modèle 3D des textures acquises au moment du relevé photographique. Dans la phase de calibration et d’orientation des caméras, la relation entre les photoghraphies et les points carthésiens a été effectuée. Cela signifie que les photographies sont devenue représentables dans l’espace tri-dimensionnel. On peut donc associer un pixel de photographie, à un point du modèle 3D. Cette technique s’utilise ainsi pour récupérer les textures de la scène étudiée. Il s’agit probablement de l’avantage majeur de la photomodélisation : non seulement on peut texturer un modèle à partir des photographies de manière relativement automatique, mais la représentation sera extrèmement fidèle à l’original, puisque chaque texture est extraite de sa position réelle pour être placée à sa position homologue sur le modèle numérique. Il va de soi que la qualité de la restitution est directement liée à la résolution de l’appareil photographique utilisé : une plus grande résolution du capteur mènera à une texture mieux détaillée sur le modèle.

Figure 50 - Illustration de la restitution de l’apparence visuelle L. de Luca

2.5 Avantages, différences et limitations 2.5.1 Caractéristiques du relevé laser Précision du détail L’avantage principal du relevé laser, est sa capacité à relever les détails complexes de petite taille. Généralement, un scanner détient une précision d’ordre millimétrique est capable de générer des nuages de points extrêmement dense. En outre, il existe des scanner portatifs qui permettent d’atteindre un niveau de précision infra-millimétrique. Ceux-ci se tiennent en main et sont utilisés exclusivement pour les petits objets tels les statues, les vases, etc. Manœuvrabilité D’un autre côté, le processus d’acquisition par scanner est relativement long et demande plus de dispositions par rapport à la photo modélisation. Le scanner doit être calibré tel un appareil de relevé topographique, et doit être stabilisé pendant toute la procédure d’acquisition des points. Selon le modèle à numériser, il sera nécessaire de répéter cette opération autant de fois qu’il faudra de points de vue différents pour cerner le modèle. Rendu des textures Lors de la phase de restitution graphique, le relevé par scanner n’est d’aucun secours pour restituer les textures du modèle numérique. Si certains scanners peuvent désormais capter des données colorimétriques, on est encore loin des rendus d’images de synthèses générés par la photomodélisation. Si on cherche un rendu réaliste de l’objet ou du site, on viendra souvent compléter la phase d’acquisition par un relevé photogrammétrique, et ainsi combiner les deux méthodes. 61

2.5.2 Caractéristiques de la photomodélisation Accès à la photographie

Limitations

Un des avantages majeurs de la photomodélisation est qu’elle ne cesse de se développer avec l’évolution de la photographie. Ainsi, au plus la technologie se développe, au plus la photomodélisation devient accessible tout en gagnant en précision.

Il existe tout de mêmes quelques désavantages à la photomodélisation : Si la prise de photographies devient de plus en plus accessible pour atteindre des hautes résolutions, elle nécessite une méthodologie bien particulière qui demande un minimum de formation. Par ailleurs, le traitement des données acquises peut parfois être long et fastidieux. Le point négatif de la photomodélisation se fait sentir pour reproduire des formes qui ne contiennent pas de discontinuités évidentes : si une photographie ne contraste pas assez des éléments situés dans des plans différents de l’espace, la modélisation sera erronée et présentera des erreurs évidentes. Ainsi, des formes fortement détaillées tels que des sculptures ou des bas-reliefs, seront très difficile à reproduire.

Un autre atout fondamental est que la photographie est déjà utilisée pour tout site archéologie ou vestige notable d’architecture et fournit une quantité d’informations supplémentaires telle que l’était actuel du site ou encore la préservation des matériaux. Si la méthode de photographie est bien entendu différente pour la photomodélisation, la technologie est déjà présente sur place et ne demande qu’à être utilisée. Flexibilité en phase d’acquisition L’utilisation de la photographie plutôt que le laser présente également des facilités au niveau de la phase d’acquisition. Il est bien plus facile et rapide de procéder par des prises d’images avec un appareil photo, que par le placement d’un scanner et toute la phase de relevé qui en résulte. Ainsi, on obtient un facteur temps/information acquise beaucoup plus intéressant avec la photomodélisation. Acquisition des textures Le dernier avantage, et certainement le principal, est l’acquisition des textures extraites depuis le site. Comme nous l’avons vu, la photomodélisation va permettre de replacer directement les textures captées par l’appareil, sur le modèle numérique. On obtient une restitution de qualité en termes de véracité et d’authenticité. Les photographies, permettront notamment d’acquérir le contexte d’un édifice ou d’un site archéologique, dans lequel pourra être replacé le modèle numérique. 62

Ce défaut peut également se présenter si les conditions météorologiques ne sont pas favorables : idéalement la photomodélisation doit s’opérer dans des conditions de lumières diffuses. Les zones qui présentent des reflets trop lumineux sur les photographies ne seront pas prises en compte. On observerait alors des trous flagrants dans le modèle numérique.

2.5.3 Combinaison des techniques Les différentes méthodologies de modélisation possèdent toutes deux leurs avantages et limitations respectives. Il est intéressant de constater que chacune d’entre elles peut combler les défauts de l’autre : si l’acquisition par scanner va faciliter la modélisation des détails, la photomodélisation peut compenser en offrant des informations chromatiques supplémentaire. Le choix n’est évidemment pas toujours possible, il va dépendre des moyens dont on dispose, des conditions climatiques, et de la

pertinence de la technique par rapport à la modélisation souhaitée : certaines restitutions ont des besoins de précision plus importants, d’autres, des nécessités de rendus plus réalistes. Les manières de procéder sont donc très nombreuses, et le croisement des techniques s’opère très souvent pour des modélisations de projets impliquant une plus grande complexité. Dans tous les cas, ces techniques de modélisation possèdent toutes deux un grand nombre d’applications respectives. Il est intéressant d’en faire le tour pour comprendre le potentiel de la modélisation du patrimoine, et les perspectives d’avenir de ces différentes techniques.

Figure 51 - Vestige restitué par photogrammétrie. - Keris Studio

CHAPITRE III APPLICATIONS Les applications des restitutions 3D sont très nombreuses et touchent à la fois différents domaines et différents publics. Ce chapitre présentera quelques possibilités intéressantes amenées par la restitution tridimensionnelle numérique afin de mieux cerner le vaste potentiel offert par la reconstitution 3D.

3.1 Le prototypage 3.1.1 La stéréolithographie En 2005, l’université Laval a procédé à la numérisation du Sphinx des Naxiens. Il s’agit d’un vestige issu du site de Delphes aujourd’hui exposé au musée de la ville. Il ornait à l’origine le sommet de la colonne des Naxiens.

Figure 52 - Taille de la copie par un robot six axes.

L’objectif était de tester les possibilités de reproduction par prototypage, c’est-à-dire l’utilisation d’un robot tailleur de pierre pour reproduire une copie identique du modèle original. Cette technique fait partie du concept de stéréolithographie1. Le processus de modélisation a été effectué par l’équipe de chercheurs de l’université, avec tout le travail de recherche qui en découle. Il leur suffisait alors d’envoyer le modèle 3D aux tailleurs, dont les logiciels permettent de tailler la pierre en suivant les coordonnées issues du modèle numérique. La reproduction par prototypage peut se faire d’autres façons : le musée du Louvre par exemple, expose déjà une copie du sphinx réalisée à partir d’un moulage en plâtre. L’intérêt ici, est que l’on peut reproduire parfaitement le modèle original pour peu que l’on puisse tailler la copie dans le même type de pierre. Il faut tout de même apporter comme nuance, que le robot utilisée pour le taillage est une technologie peu accessible (un seul exemplaire pour toute la France).

Figure 53 - Sphinx original, exposé au musée de Delphes

1 « Technique de prototypage rapide grâce auquel on confectionne des objets à partir d’un mobile numérique. » L’internaute

3.2 Rome et son patrimoine 3.2.1 Rome Reborn Rome Reborn est une initiative internationale dont l’objectif est d’illustrer le développement urbain de la Rome ancienne par une véritable bibliothèque de restitutions numériques 3D. Le projet a pour ambition de représenter l’évolution historique depuis la fin de l’âge de bronze (1000 ACN) jusqu’au début du moyenâge (vers 500 PCN). L’équipe de chercheurs a débuté par restituer des édifices datant du 4ième siècle (vers 320 PCN), pour ensuite poursuivre par des modélisations postérieures et antérieures jusqu’à couvrir la période souhaitée. La date de départ a été choisie car à cette époque, Rome atteignait des pics de population, et l’Eglise Chrétienne commençait à édifier de nombreuses constructions.

Figure 54 - Vue aérienne du projet Rome Reborn

Ce projet ambitieux a démarré en 1997 et est le fruit de la collaboration de nombreuses institutions : l’université de Virginie (VWHL), the UCLA Experimential Technology Center (ETC), le Centre Nationnal de Recherche Scientifique (CNRS), l’université de Caen, et

l’université de Bordeaux. Le premier intérêt est de spatialiser et de présenter des informations et théories relatant de l’aspect de la cité et de son fonctionnement. L’intérêt second, et non moins important, était de créer une infrastructure numérique dans laquelle le modèle pourrait être mis à jour, corrigé, et extrapolé. Le projet a demandé un travail de recherche considérable. Il fallait pouvoir reconstruire digitalement le relief de la ville, son infrastructure urbaine (les rues, les ponts, les acqueducs,etc.) et individuellement l’esthétique des bâtiments et monuments. Le modèle devra aussi pouvoir refléter les sources archéologiques utilisées. Il nous informe implicitement de l’état actuel de nos connaissances sur la ville, et de nos ignorances. Le résultat de ce travail permet son utilisation à de multiples fins. Il est utilisé de manière éducative pour illustrer l’aspect de la ville, refléter l’impact de phénomènes naturels, comprendre le développement urbain, ou encore, pour conduire des expériences urbaines ou architecturales. En termes d’architecture, des expérimentations ont été effectuées afin de comprendre comment pouvait fonctionner le chauffage, la ventilation, l’éclairage, la circulation, etc. Le tout restant ouvert aux corrections afin de poursuivre les nouvelles découvertes archéologiques. Figure 55 - Scène typique de la rue illustrant le fonctionnement des magasins et des appartements Figure 56 - Restitution des aqueducs amenant l’eau potable à la cité Figure 57 - Vue aérienne de l’amphithéâtre flavien, le Colysée Figure 58 - Vue le long du Tibre entre Aventine et Transtiberim Figure 59 - Cirque Maximus

3.2.2 Réalité augmentée

Figure 60 - Illustration du principe de l’application MVR, place du Colysée - Altaïr 4

Depuis 2011, la firme Altaïr 4 propose une application multimédia destinée à la diffusion des restitutions 3D. Pour l’instant appliquée à Rome, l’application nommée MVR (Mixed Virtual Reality) permet d’afficher en réalité augmentée les édifices disparus directement sur le support multimédia. Il suffit de tourner l’appareil vers un site de vestiges répertorié dans l’application, et via la position GPS de l’utilisateur, l’application restitue le modèle reconstitué sur l’écran en temps réel. Cette application utilise superbement les technologies actuelles et accessibles, pour offrir à l’utilisateur une restitution ludique pendant sa visite sur site. Si cette application est limitée aux principaux monuments de Rome, elle incarne un potentiel énorme pour l’utilisation des restitutions tridimensionnelles.

Figure 61 - Application MVR, calibrant la position sur un site – Altaïr 4

Figure 62 - Application MVR, affichant le modèle 3D en réalité virtuelle – Altaïr 4

3.3 Interactivité 3.3.1 Holocubtile Un système de diffusion intéressant, l’Holocubtile, a été développé par les sociétés Immersion et Archeovision. Il s’agit d’un outil de visualisation novateur destiné à aider les programmes de recherche sur le patrimoine. L’utilisateur manipule, via un cube tactile, les modèles 3D du patrimoine qu’il souhaite analyser. Ceux-ci sont affichés via un écran stéréoscopique permettant de rendre les impressions de reliefs des objets manipulés. L’utilisateur peut ainsi manipuler intuitivement l’objet modélisé en le faisant pivoter, en l’agrandissant,… le tout, comme si l’on tenait l’objet dans les mains. Cette méthode de manipulation est sans précédent, et offre un moyen de diffusion ludique et efficace.

Figure 63 - Manipulation de l’Holocubtile au Laval Virtual Immersion

Figure 64 - Vue de la nef principale de la cathédrale d’Amiens

3.4 Stabilité 3.4.1 La cathédrale d’Amiens Notre dame d’Amiens est une cathédrale française réputée pour sa taille monumentale. Avec sa capacité de 200 000m³, elle pourrait contenir deux fois Notre Dame de Paris. Sa hauteur sous voute avoisine les 42m, soit l’équivalent d’un immeuble de 15 étages. Elle est l’une des cathédrales les plus grandes et est souvent considérée comme l’apogée de la tradition constructive gothique. Cependant, cette hauteur monumentale cause des problèmes structuraux à l’édifice. On peut voir des fissures sur le haut de certaines arcades, appelées triforium. On assiste à un important défaut structurel : l’imposante baie est contigüe à la croisée du transept, et le poids 73

des arcades a poussé les piliers de la croisée vers l’intérieur. Ce léger affaissement de l’arcade a provoqué une énorme déformation des piliers du transept. La rupture des piliers engendrerait l’effondrement de la cathédrale. Une analyse spatiale du monument a alors été conduite afin de comprendre la répartition des efforts dans la structure, et de déterminer où et comment agir. Cette analyse a été opérée sous base d’un relevé laser exécuté en vue de modéliser la cathédrale. Il faudra plusieurs jours et de nombreuses phases d’acquisition, pour obtenir le référencement de chaque point de l’espace. Au terme de cette étape, le modèle peut être assemblé en réunissant les différents nuages de points acquis par les phases d’acquisition du scanner. L’étude de la structure va alors pouvoir avoir lieu. En l’occurrence, l’équipe souhaite se concentrer sur la croisée du transept, qui est généralement le point le plus délicat dans la construction des cathédrales. Il est probable que le problème découle de cette zone. L’équipe va alors utiliser le modèle numérique pour effectuer différentes mesures entre les supports du transept. Celles-ci vont permettre de connaître les éventuelles déformations des piliers. Le modèle numérique n’étant finalement que le référencement spatial de chacun des points de la cathédrale, on peut déterminer des distances difficilement mesurables par les procédés habituels.

Figure 65 - Fissurations au-dessus des arcades.- ARTE Figure 66 - Déformations induites par l’affaissement de l’arcade. - ARTE Figure 67 - Acquisition des points de la cathédrale par l’équipe de chercheur - ARTE Figure 68 - Principe des mesures exercées sur le modèle numérique. - ARTE

Figure 69 - Modèle numérique représentant les points relevés par le scanner. - ARTE

Figure 70 - Mesures réelles issue du scan de la cathédrale. - ARTE

Les résultats sont révélateurs : au point le plus bas, on mesure 11m622, au suivant 11,526, un rétrécissement donc, et en haut 11,789, un élargissement cette fois. Il y a 3 mètres de hauteur entre les deux premières mesures, ce qu’il signifie que les piliers sont incurvés vers l’intérieur de 10 cm entre ceux deux points. Les chercheurs peuvent en déduire que les arcades en bas, exercent une pression vers l’intérieur. Et que les charges transmissent par la voute au sommet, exercent des pressions vers l’extérieur. Le résultat inquiète les chercheurs puisqu’à long terme, ces déformations induiront forcément la rupture des piliers. Les chercheurs utilisent ensuite le modèle 3D pour simuler les efforts portés sur les arcs en les poussant à l’extrême. On peut ainsi visualiser les descentes de charge sous forme d’animation. Il est intéressant de constater la pertinence des simulations en les comparants aux déformations physiques visibles dans l’édifice. En l’occurrence, si on reprend l’exemple des fissurations au-dessus des arcades de la nef, on constate la fiabilité des simulations numériques. On peut ainsi visualiser le risque de dislocation si les charges avaient continué à exercer leurs pressions sur la structure. Les déformations de ce genre sont généralement générées par des efforts horizontaux mal répartis. Or, une caractéristique des cathédrales gothiques, est l’utilisation des arcs

Figure 71 - Déformations exercées sur l’arc du transept. - ARTE

Figures 72 - Simulation des déformations poussées à l’extrême

Figure 73 - Comparaison de la simulation, et des fissures visibles.

boutants permettant de reprendre les efforts horizontaux tels que ceux générés par le vent ou par les voutes. Sur cette théorie, les chercheurs en sont venus à examiner les arcs boutants sur le modèle numérique. Ils ont observé très rapidement que les arcs avaient été placé beaucoup trop haut et ne permettaient pas contrebalancer la force générée par les voutes.

Figure 74 - Simulation de l’effondrement des arcades. ARTE

La modélisation tridimensionnelle a grandement facilité cette découverte. Par des méthodes conventionnelles, il aurait été difficile de remarquer la différence de hauteur des points de charges entre l’intérieur et l’extérieur. L’utilisation du relevé laser permet donc, non seulement de modéliser un édifice, mais aussi d’utiliser les données cartésiennes des points à des fins de stabilité. La précision des technologies laser prend ici tout son sens.

Figure 75 - Confrontation des efforts générés par la voute et de l’arc boutant - ARTE

CHAPITRE IV INTERPRETATIONS Ce chapitre aura pour but de cibler les enjeux et d’émettre des hypothèses sur les perspectives d’avenir de la restitution tridimensionnelle. Vers quoi se dirige-t-on, vers quoi pourrait on se diriger, et dans quel intérêt ? 79

4.1 Perspectives d’avenir 4.1.1 L’avancée de la photomodélisation

Figure 76 - Aperçu Autodesk 123D Catch

Aujourd’hui, on note une progression constante de la technique de photomodélisation dont l’acquisition des points devient de plus en plus précise à mesure qu’avance le développement des appareils photographiques. On peut maintenant trouver des capteurs photographiques sur la majorité des smartphones avec des résolutions se comptant en dizaines de millions de pixel. Appliqué à la photomodélisation, chacun de ses pixels peut être réinterprété pour fournir des données cartésiennes supplémentaires. Si la procédure de traitement de ces informations demeurait réservée aux professionnels, il est à se demander jusque quand ? On voit maintenant apparaître des logiciels de photomodélisation destinés au grand public, tel Autodesk 123D. Ceux-ci automatisent complètement la procédure de trai-

tement des données et de modélisation. L’utilisateur n’a maintenant plus qu’à prendre ses photos, en prenant tout de même des dispositions quant aux angles de vues et aux conditions lumineuses. Ce potentiel ne s’applique évidemment pas qu’au patrimoine architectural. Chacun pourra stocker numériquement les modèles 3D de son choix, et ainsi, constituer sa propre bibliothèque de modèles numériques. Si l’évolution constitue à développer la photographie et sa démocratisation, les appareils de relevé laser pourraient bien devenir obsolète pour laisser place à la photogrammétrie, moins contraignante à manœuvrer, et plus intéressante au niveau du rendu de la modélisation.

4.1.2 Perspective d’immersion Une technologie au potentiel intéressant sera bientôt commercialisée sous peu (2016). Il s’agit de l’Oculus Rift, un périphérique informatique de réalité virtuelle qui permet de simuler un environnement numérique pour l’utilisateur en trompant sa vue et son ouïe. Couplé à un dispositif de « tapis roulant », l’ensemble permet à l’utilisateur d’évoluer dans cet environnement fictif et d’interagir avec celui-ci. Ce potentiel, pourrait être couplé aux modélisations 3D d’édifices restitués, afin de permettre à l’utilisateur, d’interagir fictivement avec le passé. Si des perspectives permettaient déjà de vérifier des hypothèses, le potentiel de recherche d’un tel système, pourrait amener de nouveaux éléments de réponse dans les théories des historiens. En terme de diffusion et d’éducation, ce système, innovant et ludique, pourra amener de nombreux avantages.

Figure 77 - Apercu du système Oculus Rift. Simulation de marche sur Mars.

4.1.3 Réflexion sur le prototypage Les innovations en terme de prototypage sont également très intéressantes et amènent à se poser de nouvelles questions : puisqu’il est maintenant possible de remplacer à l’identique, un élément architectonique en pierre, cela vaut-il encore la peine de le restaurer ? Est-ce que la restitution peut remplacer la restauration ? La restitution virtuelle est devenue depuis peu une aide fidèle à l’étude des sites archéologiques et comme nous l’avons vu, un outil supplémentaire à la restauration ou au prototypage. Cela remet en question la notion du modèle original et sa valeur, en tant que témoignage historique. Est-il finalement pertinent de restaurer un objet, alors que son état de dégradation raconte une partie de son existence ? Sachant qu’il est maintenant possible de dupliquer l’objet par 83

prototypage, qui lui pourrait être restauré numériquement. On pourrait ainsi envisager la comparaison physique du vestige, dégradé par le temps, à sa restauration, copie à l’identique du modèle original dans son état tel que construit. On peut reprendre l’exemple de la colonne des danseuses de Delphes, ou la comparaison s’effectuait numériquement. Ou encore le sphynx des Naxiens, où l’on aurait pu procéder à une restauration numérique des défauts engendrés par l’érosion, avant de le reconstruire physiquement. Dans quelle mesure pourrait-on restaurer physiquement cette colonne, en gardant à l’esprit que les robots tailleurs de pierre ne sont pas encore des technologies facilement accessibles. Le potentiel de la restitution tridimensionnelle, à long terme, sera peut-être de restituer des restaurations des éléments architectoniques à l’identique, sans toucher au modèle d’origine…

4.2 Conclusion La restitution en 3D n’est finalement qu’un palier de l’évolution numérique qui avance avec son temps. Cette technique, qui suit l’essor des technologies informatiques et photogrammétriques, n’a certainement pas fini de se développer. Si bien qu’il est déjà difficile actuellement de percevoir toutes les applications qui en découle. La tendance actuelle de la 3D en général, permet d’adresser les restitutions tridimensionnelles au grand public. Elles constituent, sous forme de divers médias instructifs, une manière séduisante de partager les hypothèses scientifiques de l’archéologie et de l’architecture. Le support numérique, offre des avantages incontournables en termes d’espace physique de stockage, de partage intellectuel, et de mise à jour du modèle. On assiste à la naissance de bibliothèques numériques universelles, qui pourraient permettre à terme, aux scientifiques du monde entier de comparer et de confronter leurs hypothèses. Parmi les deux technologies de modélisation actuelles, il est probable de voir se démocratiser la photomodélisation, dont on trouve déjà des logiciels capables d’automatiser presque entièrement la procédure. Les techniques de relevés laser, dont le matériel reste onéreux et difficilement accessible au grand public, commence à se faire rattraper en terme de précision par la photogrammétrie, qui reste en pleine évolution. On constate une utilisation maintenant fréquente de la restitution tridimensionnelle en terme de restauration du patrimoine, que ce soit à des fins de stabilité ou à des fins de sauvegardes d’éléments archéologiques. Utilisé pour la reproduction de pièces endommagées ou disparues par prototypage, elle constitue un atout majeur non seulement pour la restauration, mais aussi pour la reproduction à l’identique d’éléments architectoniques disparus. Puisqu’on peut copier jusqu’aux défauts constructifs un vestige du patrimoine, est-il nécessaire de le restaurer ? Que devient la valeur archéologique du vestige ? Bien que peu connue du grand public (et pourtant présente partout sous ses yeux), la restitution tridimensionnelle a fait ses preuves depuis des années. Toujours en pleine expansion, elle n’a pas fini de soulever des hypothèses et des remises en question. C’est peut-être là que réside son intérêt majeur finalement…

SOURCES 89

Table des illustrations Figure 1 - Façade antique du Colisée avec ajout en filaire de la structure manquante. - (D. Desfougères, F. Tourniquet, C. Jadot, 1994). - En ligne: https://www.unicaen.fr/ersam/images_site/pdr/ colisee.jpg. Figure 2 – A gauche : Tour de Babel, peintre flamand inconnu (1587) – A droite : Tour de Babel, The Bedford Master, Book of Hours (1423). En ligne: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/83/Tour_de_babel.jpeg/320px-Tour_de_babel.jpeg. Figure 3 - http://www.bibliques.com/lr/Penta/EvbIm/Gn08a.jpg Figure 4 - Restitution du temple de Marduk. En ligne: http://www.mysteriesinhistory.com/images/ ancient-structures/temple-of-marduk.png. Figure 5 - Construction du temple de Jérusalem sur l'ordre de Solomon par Jean Fouquet ( Les Antiquités judaïques 1410-1420 de Flavius Josèphe). Figure 6 - "Annonciation à Saint Anne", Giotto, vers 1300 PCN. En ligne: https://upload.wikimedia. org/wikipedia/commons/b/b4/Giotto_-_Scrovegni_-_-03-_-_Annunciation_to_St_Anne.jpg. Figure 7 - Basilique de Santa Maria del Fiore, Florence. - En ligne http://www.bhmpics.com/walls/ cathedral_santa_maria_del_fiore_in_florence-wide.jpg. Figure 8 - Représentation de l'expérience de Brunelleschi - En ligne https://maitaly.files.wordpress. com/2011/04/0328p_duomo6_b.jpg. Figure 9 - Une des machines à perspective d'Albrech Durer - En ligne http://www.uh.edu/engines/ durer1.gif. Figure 10 - PALLADIO, ANDREA (1518-1580). I Quattro Libri Dell' Architettura, Venice: Domenico De' Franceschi, 1570. Figure 11 - La maison carrée de Nime - En ligne http://www.librairie-seigneur.com/images/E5266_ big.jpg. Figure 12 - La Maison Carrée - Hubert Gautier dans"L'Histoire de la Ville de Nismes et de ses antiquités". Figure 13 - Charles Balzac, 'Pyramides de Memphis. Vue générale des pyramides et du Sphinx, prise au soleil couchant', [detail] Description de l'Égypte: ou, Recueil des observations et des recherches qui ont été faites en Égypte (Paris 1822). Figure 14 - Envois de Rome : le tabularium selon Constant Moyaux (1865-1866). - En ligne http:// louis.genevieve.free.fr/Uchard/Serie_2/slide_29.jpg. Figure 15 - Théorie de restitution de la Maison des Dieux Océan, d'après une aquarelle de JeanClaude Golvin - 2010. Figure 16 – Deux extraits du documentaire "Corse beauté antique" - Réalisé par Marc Azéma - Infographie par Olivier Moreau. Figure 17 - Restitution du Colysée en réalité augmentée par la firme Altaïr. En ligne http://www. altair4.com/archive/ancient-rome-graphics/. Figure 18 - Plan de Rome de Paul BIGOT exposé à l'université de Caen. Figure 19 - Méthodologie générale de construction d'un modèle 3D (d'après BEGRICHE R.) Confrontation du relevé laser 3D aux techniques de relevé conventionnelles et de développement d’outils numériques pour la restitution architecturale. Figure 20 - Cirque Maxime, vue à hauteur d’homme sur la spina - Archeovision 2007 Figure 23-24 Restitution 3D du Circus Maximus – Progetto Traiano Figure 25 - Lithographie du Château de Montaigne - Marie Payen Figure 26 - Vue actuelle du Château de Montaigne (après sa restauration de 1890) Figure 27 - Reconstitution du château au 19ème siècle vu depuis la cour Figure 28 - Librairie de Montaigne 28 90

Figure 29 - Reconstitution des façades Est et Ouest tel qu'au 19ième s. - Archeovision. Figure 30 - Scanner 3D par temps de vol procédant à l’acquisition de données. - En ligne: https:// mis.u-picardie.fr/E-Cathedrale/sites/default/files/IMG_4995.jpeg Figure 31 - Nuage de points de la cathédrale d’Amiens - En ligne: http://www.life3d.fr/wp-content/ uploads/2015/07/70262_Reims-nuage-21.jpg. Figure 32 - Principe du laser par triangulation - Production personnelle Figure 33 - Scanner Lidar à calcul de temps de vol. Figure 34 - Scan de la cathédrale Notre Dame de Reims, Life3D En ligne: http://www.life3d.fr/wpcontent/uploads/2015/07/70262_Reims-nuage-21.jpg. Figures 35-38 - Images issues de «La Confrontation du relevé laser 3D aux techniques de relevé conventionnelles et de développement d’outils numériques pour la restitution architecturale». Figure 39 - Maquette 3D Revit de la cathédrale de Reims, générée depuis un nuage de points, Life3D. En ligne: http://www.life3d.fr Figure 40 - Vue aérienne du Pont d'Avignon, French Moments 37 Figure 41- Images issues de l’animation, "Le pont d'Avignon en 3D", MAP 2014 38 Figure 42 - Colonne des danseuses, Delphes - A gauche, colonne maillée dans son état actuel remonté ; à droite, colonne restituée dans son état de construction originel. - Archeovision. Image issue de «La reconstitution de la colonne des danseuses de Delphes» . pp.231-238 Figure 43 - Gravures représentant Albrecht Dürer et son perspectographe - En ligne http://www. uh.edu/engines/durer1.gif. Figure 44 - Représentation pictorale de la Camera Obscura au 16ième siècle - En ligne : http://blog. staedelmuseum.de/wp-content/uploads/2012/07/camera-obscura-sonnenfinsternis_1545.jpg Figure 45 – « Point de vue de Gras », photo expérimentale de Niépce en1826. Figure 46 - Vue du bureau de Laussedat, 1850 - En ligne : http://www.ipi.uni-hannover.de/uploads/ tx_tkpublikationen/RFPT200_photogrammetrie.pdf Figure 45 - Principe de la photogrammétrie - Production personnelle Figure 48 - Exemple d'un premier appareil photogrammétrique commercialisable, "The Wild A5 autograph", 1937 44. En ligne: http://www.mostarbridge.org/starimost/04_archany/05c_1982sur/ Image75.jpg Figure 49 - Plan schématique de l'acquisition des données par photographies - Production personnelle. Figures 50-52 - Etapes schématiques de la photomodélisation - Issus de «La photomodélisation architecturale» L. de Luca Figure 53 - Sphinx original, exposé au musée de Delphes - En ligne : https://www.flickr.com/photos/ magika2000/17081508059 Figure 54 - Taille de la copie par un robot six axes. Extrait issus du documentaire «Modélisation 3D en archéologie et patrimoine.» Figure 55-60 - Vues issues du projet Rome Reborn - En ligne : http://romereborn.frischerconsulting. com/gallery-current.php Figure 61-63 - Application MVR, Altaïr 4 - En ligne : http://www.altair4.com/archive/ Figure 64 - Manipulation de l'Holocubtile au Laval Virtual - Immersion - En ligne : https://i.ytimg.com/vi/ltTUjdGJjms/maxresdefault.jpg Figure 65 - Vue de la nef principale de la cathédrale d'Amiens - En ligne: http://www.patrimoine-histoire.fr/images/Patrimoine/Amiens/eNotreDame/AmienCND01.JPG Figure 66-75: Images issues du documentaires: «Les cathédrales dévoilées», ARTE Figure 76: Aperçu Autodesk 123D - En ligne http://www.tcproject.net/pivotx/images/2013-04/cattura2.jpg. Figure 77: Apercu Hoculus Rift -En ligne http://www.extremetech.com/wp-content/uploads/2013/08/ oculus-rift-omni-treadmill-mars-nasa-640x353.jpg 91

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