le V-RTI

Depuis plusieurs années, les études épigraphiques se sont enrichies d’un outil de visualisation dynamique appelé RTI1, permettant d’enregistrer les variations de réflectance de surfaces en fonction de différentes conditions de luminosité, et donc de simuler l’incidence de la lumière sur un objet, même brillant, à partir d’un jeu fini de données photographiques.

L’intérêt pour les études archéologiques et épigraphiques est conséquent, car cette technologie permet d’enregistrer les variations lumineuses à la surface d’objets archéologiques, de percevoir des détails discret, de les visualiser dans un logiciel simple d’utilisation, ainsi que de réaliser des « optimisations visuelles » aidant à la lecture (impossibles à réaliser sur l’objet réel).

L’acquisition des données est faite avec un Dôme de Lumière Portable (ou PLD en anglais). Le PLD se compose pour l’essentiel de lampes placées de manière homogène2 sur la face interne d’une pièce semi-sphérique (le dôme), avec en son centre un appareil photographique placé perpendiculairement à son plan de pose. Les lampes illuminent successivement le sujet placé sous le dôme, déclenchant l’appareil. Le PLD permet donc de construire de manière efficace une collection des réponses lumineuses d’un sujet en fonction de la direction de la lumière, la paroi du dôme isolant l’ensemble du contexte lumineux extérieur((voir le projet LatinNow! ici.)).

Le fichier (au format .ptm)3 est ensuite construit sur la base de cette collection, analysée grâce aux logiciels PTMFitter4 ou RTIBuilder : à chaque pixel de l’image est lié une ou plusieurs fonctions polynomiales représentant les différences de luminances en fonction de la direction de l’éclairage5.

un Dôme de Lumières Portable (PLD) – https://rtimage.us/?page_id=27

Ainsi, si le protocole d’acquisition des photographies, de même que le processus de création du fichier RTI, ne sont pas à considérer comme exceptionnellement complexes (quant à l’utilisation des données avec RTIViewer ou PTMViewer, pour la visualisation, elle est très simple), Il convient néanmoins de signaler qu’un Dôme de Lumière Portable est un outil complexe à fabriquer, et à calibrer pour l’acquisition. De plus, il n’est pas utilisable dans tous les contextes, surtout dans le cas où le sujet se situe en hauteur, à la verticale, dans un endroit compliqué, ou encore s’il est trop grand pour le dôme. Pour palier à ces problèmes, certaines solutions ont été avancées.

 

Réalisation d’une acquisition RTI sans PLD – https://raan.hypotheses.org/1326

Il est notamment possible d’illuminer le sujet avec un flash lumineux indépendant depuis plusieurs positions, tout en enregistrant la direction de l’illumination grâce à une ou plusieurs petites demi-sphères réfléchissantes6. Bien entendu, ce type de réalisation des collections de luminosités d’un sujet nécessite généralement de faire des concessions sur la finesse de positionnement des lampes utilisées (notamment à cause de l’éloignement entre la lumière et la ou les sphères, augmentant l’erreur d’estimation de position), sur l’homogénéité des incidences enregistrées, et même sur la présence d’une lumière ambiante, tout cela pouvant amener une baisse de qualité du fichier final7.

Il est aussi possible de réaliser un autre type de RTI, le V-RTI8.

 

Le V-RTI, ou Virtual Reflectance Transformation Imaging

 

Dôme de Lumière réalisé sous Blender

Pour le V-RTI, le travail n’est plus réalisé sur l’objet archéologique en lui-même, mais sur une modélisation virtuelle de ce dernier (depuis une acquisition par photogrammétrie, lumière structurée, lasergrammétrie, …). Le dôme de lumière est construit sur un logiciel, comme Blender ou 3DS Max, et l’objet virtuel importé est placé dessous. Il est alors possible de réaliser une collection des réponses lumineuses du modèle virtuel, de manière analogue à celle réalisée sur l’objet réel.

Bien entendu, le but n’est absolument pas de remplacer le RTI, mais de permettre une utilisation dérivée de la modélisation 3D que je vais détailler, en prenant en compte certains éléments importants.

 

Les lumières

Premièrement, la gestion de la lumière dans les logiciels d’infographie est paramétrable.

Ainsi, chaque lampe utilisée possède des coordonnées dans l’espace, qui peut être exportée et utilisée lors de la création du fichier RTI (Il faut en effet posséder un tableau des positions des lampes pour utiliser PTMFitter) .

tableau reprenant les positions de chaque lampe dans l’espace 3D, au format .lp (light position) pour PTMFitter

De la même manière, l’interaction de la lumière et du modèle est paramétrable : l’espace 3D permet de forcer un parallélisme absolu aux rayons lumineux9, et d’annuler la perte de luminosité due à la distance10.

différence entre lampes à rayons parallèles sans atténuation lumineuses, et lampes à rayons divergents avec atténuation de la lumière réaliste (loi des carrés inverses à la distance), montrant des différences de normales dans le RTI ( à droite)

Enfin, Il est possible d’annuler toute lumière parasite, de la même manière que le dôme, s’il est plein, protège l’objet de la lumière extérieure.

 

 Le modèle

 

 Travailler à l’échelle du modèle virtuel permet de réaliser plusieurs traitements impossibles sur le modèle réel.

Premièrement, le modèle virtuel peut être déplacé, tourné, agrandi et réduit suivant l’objectif recherché. Il est aussi possible de changer la couleur du modèle pour homogénéiser,  par exemple, sa  surface, sans aucune brillance11

a gauche, le modèle avec des couleurs naturelle, à droite le modèle avec un matériau homogène

Mais il peut aussi subir des traitements divers. Il est par exemple possible de réaliser des analyses de micro-relief sur la surface du modèle, puis de les inclure à la couleur du modèle, à la place de la couleur réelle de l’objet. Il est aussi possible de réaliser des traitements de déformation, permettant, par exemple, d’aplatir des surfaces courbes (avec une ou plusieurs courbures principales) notamment cylindriques ou semi-cylindriques12.

exemple de traitements réalisables sur le modèle 3D

 

L’espace et le rendu

L’espace virtuel permet aussi de nuancer certains problèmes de l’acquisition, notamment en ce qui concerne le dôme. En construisant un dôme virtuel, il est possible de lui donner le nombre de lampes optimal, mais aussi de le déplacer, de le tourner, de l’agrandir ou de le réduire à des dimensions autrement impossibles13.

Il est aussi possible de réaliser des scripts permettant la génération des collections d’images du modèle, de même que la génération du fichier contenant les positions de chaque lampe.

Problème de déformation perspective entre une image à focale 18mm à 5cm de l’inscription (à gauche), et une vue orthographique (à droite)

Au niveau de la caméra, il est facile de choisir la précision du fichier RTI en choisissant l’échelle pixellique du rendu (0.05mm/px par exemple), et de modifier le nombre de pixels de l’image en conséquence. Mais surtout, il est possible d’annuler complètement l’effet de perspective des images réelles, et de forcer le parallélisme de la caméra virtuelle (appelée caméra orthographique car ne prenant pas en compte la perspective), de même que d’annuler complètement les aberrations chromatiques et les déformations lenticulaires présentes sur les appareils photographiques.

 

Limitations

Bien entendu, ce type de technique possède de fortes limitations. La principale réside dans le problème de la précision des rendus générés : si la précision du modèle 3D14 n’est pas assez grande, une part des détails révélés par le protocole V-RTI sera occulté par les différentes dysmorphies du modèle virtuel (simplification, bruit, etc) et si le rendu en lui-même n’est pas assez précis (image trop petite, rendu flou, etc), la précision du modèle RTI final sera aussi réduite, de même que son intérêt. Il est donc évident que la qualité d’un V-RTI n’est pas comparable à celle d’un RTI normal.

Différence de précision du modèle RTI : à gauche le modèle est précis et le rendu fin, au milieu le modèle est peu précis, à droite le rendu est de taille réduite

La seconde limitation réside dans le temps supplémentaire de travail nécessaire pour la réalisation d’un protocole V-RTI. A l’acquisition virtuelle du modèle explicitée ici se rajoute le temps nécessaire à l’acquisition du modèle virtuel (photogrammétrie, lasergrammétrie, lumière structurée, …), le traitement permettant sa création, et le temps des différents traitements à réaliser (dépliage, analyses des reliefs).

Enfin, l’utilisation du V-RTI ne permet pas, à l’heure actuelle, de travailler sur les différences de luminances internes à un objet. En effet, la virtualisation élimine la réflectance, qui ne peut pas être récupérer. Même si certains équipements ou protocoles existent15, l’enregistrement des valeurs de réflectance dès l’acquisition est un défi actuel16. Cette différenciation est très importante : l’intérêt principal du RTI étant de travailler sur la différence de réflectance, le V-RTI ne joue pas sur le même tableau.

Il faut bien entendu ajouter certaines limitations du protocole RTI17, à savoir que le fichier RTI ne présente pas un modèle complet d’un artefact, mais d’une partie seulement (face d’une pièce, partie inscrite d’une stèle, etc), et qu’il est très complexe de récupérer des valeurs correctes pour une reconstruction 3D depuis un fichier RTI18.

 

Intérêts

De plus, une question fréquente concerne l’intérêt du passage par le V-RTI si l’on possède déjà un modèle 3D précis d’un artefact archéologique.

Premièrement, le fichier RTI est une image, un médium plus léger que le format 3D (OBJ, PLY, FBX) en entier, ce qui permet une communication des données bien plus facile. Le format d’extension .ptm (Polynomial Texture Mapping) utilisé pour les fichiers RTI est plus spécifiquement un format d’image « matricielle »19, c’est à dire se définissant par une matrice (un tableau) comprenant des valeurs pour chaque cellule comprise dans l’espace de l’image20. Cette légèreté au stockage permet donc une visualisation en ligne21, bien plus fluide qu’avec un nuage de points (ou un modèle maillé) approchant la même précision. Le V-RTI permet aussi de communiquer des données à des chercheurs non spécialistes des logiciels 3D, même simplifiés, car la visualisation RTI est très simple d’utilisation.

Un autre aspect intéressant du V-RTI est de pouvoir utiliser le dôme virtuel pour des objets gigantesques (des sites archéologiques entiers), courbes (des inscriptions sur supports courbes), complexes, et ce à la différence du RTI par dôme ou sphères.

Enfin, les optimisations visuelles liées au RTI comme l’augmentation de la brillance, du diffuse gain (résultant dans le renforcement des ombres du sujet) ou l’approximation des normales peuvent être utiles aux études épigraphiques.

Le V-RTI ne se structure donc pas comme un concurrent au RTI, mais permet au contraire de créer des fichiers .ptm pour des sujets qui semble en être exclus, et semble donc être une alternative intéressante pour l’ouverture de cette technologie.

  1. pour Reflectance Transformation Imaging, qui correspond au travail sur la luminance. Il s’entend souvent avec des termes comme PTM ou HSH, qui correspondent au mode de calcul et d’enregistrement des données du fichier, mais qui ne sont pas liés forcément au RTI. En effet, même si l’utilisation typique des textures polynomiales est liée à la luminance, ce n’est pas obligatoire, notamment pour des PTM focaux. Voir l’article Polynomial Texture Maps, écrit en 2001 par T. Malzbender, D. Gelb et  H. Wolters ici. []
  2. Leur position est connue. []
  3. il y a une autre méthode, appelée “hemispherical harmonics” que je détaillerais pas ici mais qui permet de se passer d’une fonction polynomiale pour créer un RTI. []
  4. il fait partie, avec PTMViewer, de la suite PTMBuilder disponible ici. []
  5. Dans le cas d’un fichier .ptm en LRGB, une fonction polynomiale (f(x) = Anxn + An-1xn-1 + … + A1x + A0) de 6 degrés est liée au texel, à laquelle les composantes RVB sont ajoutées, ce qui signifie que chaque pixel possède 9 valeurs : 3 valeurs RVB  + 6 valeurs des coefficients de la fonction de la luminance. Dans le cas d’un fichier .ptm RVB, chaque couleur RVB est enregistrée sous forme de fonction polynomiale, ce qui oblige à enregistrer 18 valeurs : 6 valeurs des coefficients de la fonction pour le rouge, 6 pour le vert, et 6 pour le bleu. Pour réduire les valeurs à enregistrer, deux valeurs (échelle et biais) permettent de trouver les coefficients sans avoir à tous les enregistrer. Ceci explique la différence de poids entre un .ptm RVB et un LRVB, mais aussi la différence de qualité qu’il peut exister. Pour plus d’informations, voir ici. []
  6. voir le billet “Reflectance Transformation Imaging (RTI) et épigraphie” sur le carnet de recherche RAAN sur la plateforme hypotheses.org ici. []
  7. “The accuracy of the light positions and their even distribution also affects the quality of the RTI” p.31 du manuel d’utilisation des sphères, ici. Sur les problèmes d’estimations de l’incidence lumineuse, voir ici. Sur les différences de qualité par l’emplacement des lumières homogènes, voir ici. La fonction polynomiale définie pour chaque texel de la texture créé représente la réflectance d’une source lumineuse en fonction du point de vue. Il faut donc précisément connaître la position et la direction du point de vue, mais aussi de la source lumineuse. Toute imprécision de l’un de ces deux paramètres amène mécaniquement des problèmes dans la construction de la fonction polynomiale associée. []
  8. pour Virtual Reflectance Transformation Imaging. En 2015, l’article Techniques for revealing hidden archaeological features : morphological residual models as Virtual – Polynomial Textures Mapping écrit par Pires, J Martínez Rubio, A Elorza Aranaa explique la méthode, en l’appelant V-PTM. Pour ma part, je préfère utiliser le terme V-RTI, mais il s’agit de la même méthode. []
  9. contrairement aux lumières dans le monde réel. []
  10. la loi du carré inverse à la distance établit que la perte par interception d’une énergie est quatre fois plus importante quand la distance double. Une bougie émettant peu de lumière éclaire peu autour d’elle, alors qu’un néon éclaire bien plus. []
  11. Il est possible en effet de travailler à l’échelle du “materiau” lié à l’objet en question, mais aussi sur les textures associées, notamment sa diffuse map. []
  12. l’exemple montré ici a été réalisé grâce à l’outil de développé via une polyligne de CloudCompare. []
  13. Hugo Pires donne l’exemple d’un V-RTI utilisé pour travailler sur le site de Clunia en Espagne, une zone géographique immense, ici. []
  14. c’est à dire sa similitude par rapport à l’objet réel, isométrique et homothétique. []
  15. mettre en avant la différence entre une image simple et image avec polarisation de la lumière croisée permet d’approcher l’incidence et la couleur spéculaire du matériel par exemple. []
  16. voir ici pour se qui concerne l’acquisition des valeurs de réflectance bi-directionnelles appelées BDRF, ou encore ici et ici. []
  17. à l’exception des limitations concernant l’appareil photo (déformation de focale, aberrations chromatiques, etc) ou celles liées à la distorsion perspective qui trompe les mesures sur des focales trop courtes. []
  18. voir ici l’exemple d’une tentative de reconstruction en 2013, et ici pour les problèmes existants dans la création des normales depuis un RTI. []
  19. Parmi les images matricielles les plus connues, il est possible de citer le Joint Photographic Experts Group (JPEG), le Portable Network Graphics (PNG) ou encore le Tag(ged) Image File Format (TIFF). []
  20. Cette matrice stocke pour chacune de ses cellules (appelées Texels pour Texture-Element), les fonctions polynomiales calculées grâce à la collection des réponses lumineuses collectées grâce au Dôme de Lumière Portable. Les éléments stockés dans un PTM ne sont pas lisibles via des logiciels de traitement d’images matricielles, car le format PTM n’est pas un standard, et nécessite, pour être lu, que le logiciel puisse reconstruire la luminance et la colorimétrie depuis les informations stockées (ce qui est le cas pour PTMViewer et RTIViewer). []
  21. une bibliothèque javascript d’un visualisateur Web HTML5 OpenGL existe ici. []

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