La reconstruction 3D du mammouth de Durfort

Multimédia

08.12.2020

Comment a été réalisée la modélisation 3D qui permet le parrainage virtuel des os du mammouth de Durfort ? Florent Goussard, ingénieur en imagerie scientifique, dévoile les coulisses.


Genèse de la modélisation

Lors du premier confinement, j’ai été contacté pour réaliser un modèle 3D pour la campagne de financement participatif pour soutenir la restauration du mammouth de Durfort. L'objectif est d’appuyer la campagne au travers d’une manipulation interactive du spécimen sur lequel les donateurs pourraient alors « parrainer » tel ou tel élément du squelette. À ce stade, les seules données disponibles étaient alors celles capturées en 2016 par l’équipe américaine de Global Digital Heritage sur l’ensemble des deux premiers niveaux de la Galerie de Paléontologie et d’Anatomie comparée, et dont un aperçu du résultat est visible sur la sous la forme d’une balade virtuelle.

Mais ces données, aussi impressionnantes soient-elles à première vue, posent en réalité un problème important : comme on peut s’en rendre compte sur ces deux visites virtuelles, le résultat de ce travail de numérisation massif correspond à un gigantesque nuage de points dans lequel les surfaces des objets ne sont pas reconstruites (Fig.1). Or si ce type de rendu reste visuellement très efficace grâce à l’information de couleur portée par chaque point, donnant ainsi cette impression de promenade « éthérée » traversant les squelettes, il ne s’agit en réalité que d’un simple effet trompe-l’œil : d’un point de vue 3D, aucun objet de la Galerie n’a de réalité concrète car aucune surface n’est reconstruite (c’est-à-dire que les points ne sont pas reliés entre eux) et seule l’énorme quantité de points capturés renvoie cette impression de réalisme.

Fig.1 – Détails du nuage de points du squelette de mammouth de Durfort : à mesure que l’on s’approche, l’absence de surface devient évidente

Or s’il existe des moyens de recalculer des surfaces à partir de nuages de points, la complexité des objets et la quantité gigantesque de points capturés rendent en réalité cette reconstruction 3D extrêmement complexe dans le cas de la Galerie de Paléontologie et d'Anatomie comparée, pour ne pas dire impossible. Une thèse en cours à Sorbonne Université, précisément sur ce sujet de la reconstruction 3D des grands squelettes montés de la Galerie à partir de cette numérisation de Global Digital Heritage, par Auréliane Gailliègue qui a fait son stage de M2 au Centre de recherche en paléontologie (CR2P – UMR 7207) en 2017, montre d’ailleurs à quel point cette problématique n’est pas triviale. Mais s’agissant des seules données disponibles pour ce spécimen emblématique de mammouth, et considérant qu’il n’était pas envisageable logistiquement parlant de procéder à un nouveau scan surfacique intégral du spécimen (d’un point de vue technique, de temps et en raison aussi du confinement !), j’ai proposé de m’essayer à en tirer quelque chose d’exploitable avec les outils à ma disposition.

Mon point de départ a donc été le suivant :

  • un jeu de données d’un peu moins de 400 Mo correspondant à un nuage de précisément 20 795 779 points ;
  • une finalité à but de communication uniquement (un point important, on y reviendra).

Du nuage de points aux os

La première étape de ce travail a consisté à tenter une première reconstruction de surface automatique du nuage de points à l’aide d’outils dédiés. Le résultat obtenu, aussi grossier et perfectible qu’il pouvait être, avait au moins le mérite d’exister et de m’offrir une base de travail.

Partant de là, il m’a alors fallu œuvrer au nettoyage et à la reprise de toutes les erreurs de maillage générées lors de l’opération, elles-mêmes découlant de la complexité du nuage de points et de ses propres erreurs intrinsèques (bruit, zones mal capturées, etc.). Ces erreurs étaient multiples et correspondaient à des surfaces inversées (chaque objet 3D possède un intérieur et un extérieur délimités par une surface orientée, une surface retournée correspond donc à une inversion de celle-ci), des intersections de polygones, des portions non closes (c’est-à-dire avec une surface ouverte), des surfaces reconstruites par erreur en raison du bruit dans les données initiales, etc. (Fig.2).

Fig.2 – Modèle après reconstruction de surface automatique. En bleu, surfaces correctement orientées ; en jaune, surfaces inversées ; en vert, surfaces ouvertes.

Le nettoyage du modèle a donc été réalisé, d’abord à l’aide d’un utilitaire de nettoyage automatique puis « à la main » afin de garder le plus de contrôle possible notamment sur l’étape cruciale de remplissage et reconstruction des zones manquantes. Pour ce faire, des outils de remplissage particulièrement adaptés – permettant de combler les trous dans les surfaces en tenant compte de la courbure du maillage environnant et ce de façon automatique ou guidée par l’utilisateur – ont été utilisés (Fig.3).

Fig.3 – Vue postérieure du genou gauche : à gauche, après reconstruction de surface automatique ; à droite, après nettoyage manuel.

À ce stade, il est très vite apparu que des concessions étaient nécessaires afin de parvenir à un résultat exploitable : en l’absence totale de données sur certaines portions les plus difficilement accessibles du squelette lors de sa numérisation, certains raccourcis ont dû être pris, éloignant ainsi d’autant ces portions reconstruites de la réalité morphologique du squelette original. Si une telle option ne serait aucunement envisageable dans le cadre d’une utilisation à visée scientifique, l’objectif final de support visuel de communication s’est ici révélé déterminant en autorisant une certaine souplesse dans la reconstruction de ces portions les plus problématiques. Une manipulation attentive du résultat final met en évidence ce parti pris, en révélant ces approximations du modèle virtuel : les principaux défauts se retrouvent sans surprise au niveau des surfaces les plus complexes, comme les vertèbres.

Une autre difficulté était liée à l’objectif même du projet, à savoir disposer d’un modèle 3D manipulable où chaque os pourrait être individualisé afin d’être ainsi rendu « parrainable ». Partant de là, le squelette resurfacé a été découpé en autant de sous-ensembles que possible, pour un total de 69 pièces indépendantes (Fig.4) :

  • un modèle correspondant au bassin + sacrum ;
  • la colonne vertébrale décomposée en 8 portions ;
  • chaque côte individualisée pour un total de 20 modèles à gauche et 18 à droite ;
  • le crâne, les deux défenses et la mandibule décomposés en 4 modèles distincts ;
  • les deux membres antérieurs découpés en 4 modèles chacun (scapula, humérus, radius+ulna et main) ;
  • les deux membres postérieurs découpés en 5 modèles chacun (fémur, tibia, fibula, rotule et pied).

Fig.4 – Identification des 69 modèles indépendants du résultat final.

Au final, s’il n’est idéalement pas question de renier toute crédibilité scientifique pour quelque action de communication que ce soit, le rapport entre le gain apporté par la disponibilité de ce modèle virtuel pour la campagne de financement et son exactitude à la marge par rapport au squelette original a finalement penché en faveur de son utilisation. La campagne de dons pour la restauration du mammouth de Durfort, organisée jusqu’au 7 janvier 2021, rencontre en effet un grand succès avec déjà plus de 100 000 € récoltés (sur un objectif initial modeste de 5 000 € pour un budget de restauration total estimé à 400 000 €) en l’espace de trois semaines.

Une exception

Pour autant, le cas du mammouth de Durfort devrait rester, dans l’attente d’une meilleure méthode de reconstruction, une exception dans l’exploitation de ces données de numérisation massive de la Galerie de Paléontologie et d’Anatomie comparée et ce pour plusieurs raisons :

L’exactitude scientifique de la reconstruction obtenue avec la méthode utilisée ici est sujette à caution et ne peut donc raisonnablement être mise de côté sans une réflexion profonde sur la finalité du modèle obtenu.

La taille du mammouth de Durfort en faisait fort heureusement le candidat idéal à une tentative de traitement manuel des données : de par ses dimensions, les opérateurs de la numérisation ont pu accéder à l’intégralité du squelette et notamment aux parties habituellement difficiles d’accès comme l’intérieur de la cage thoracique. Pour des spécimens de plus petites dimensions cette problématique d’accès aux portions les plus cachées du squelette aurait nécessairement pour conséquence de demander un travail de reconstruction manuelle encore plus important, avec tous les écarts que cela implique nécessairement par rapport à la morphologie originale. Seuls les plus grands spécimens pourraient donc éventuellement être traités de la même façon, pour peu que la qualité de leur numérisation soit équivalente à celle de ce mammouth.

Le temps nécessaire au traitement manuel des données est extrêmement important : un mois dans le cas du mammouth de Durfort, bien qu’il soit pourtant l’un des plus adaptés à ce travail. L’intérêt de l’opération estimé par le rapport entre le temps de travail et le bénéfice à en tirer est donc crucial : nul d’un point de vue scientifique, il ne fait réellement sens que dans une optique de pure communication pour peu que l’écart avec le spécimen original ne soit qu’à la marge. À noter d’ailleurs que le résultat final du travail réalisé sur le mammouth de Durfort a été « enjolivé » pour sa mise en ligne avec notamment l’application d’un certain nombre de canaux de texture et filtres de rendu permettant de rendre le modèle visuellement plus percutant (Fig.5). Pour vous faire une idée de ce travail d’optimisation du rendu (réalisé par le prestataire pour l’intégration en ligne, l’agence SISSO), le site Sketchfab qui héberge le modèle interactif vous permet de visualiser ces différents canaux et leur nature depuis la fonction « Model Inspector » que vous pouvez retrouver au bas à droite de la fenêtre de visualisation sur la page dédiée.

Fig.5 – Rendu final du modèle dans l’application de visualisation interactive.

Finalement, une modélisation du socle en bois a été ajoutée au modèle du squelette par le prestataire ayant assuré la mise en ligne du modèle, pour un rendu du plus bel effet (Fig.6).

Fig.6 – Ajout du socle en bois au modèle final.


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