Brevet FR2785674A1 — publié le 20000512

1. PROCEDE DE RESTITUTION D'INFORMATIONS RELATIVES A UN OBJET EN TROIS DIMENSIONS La présente invention concerne un procédé de restitution d'informations relatives à un objet en trois dimensions pour obtenir une représentation dudit objet de manière, par exemple, à permettre sa visualisation sous un angle quelconque et en particulier pour obtenir une représentation d'un visage susceptible d'être déformé. Pour obtenir une représentation d'un objet en trois dimensions, il faut dans un premier temps acquérir un certain nombre d'information correspondant à l'objet et ensuite reconstruire l'objet en trois dimensions à partir de l'information récupérée. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique US 4 825 263 décrit un procédé pour déterminer de façon optique les modifications en trois dimensions d'un visage. Le procédé consiste à illuminer le visage à travers une structure quadrillée selon deux directions de manière à obtenir une représentation quadrillée du visage. Le visage illuminé est20 ensuite visualisé au moyen d'une caméra vidéo de manière à produire un signal vidéo. Le signal vidéo est ensuite converti sous une forme numérique et enregistré. La représentation quadrillée du visage est ensuite définie à partir du signal vidéo enregistré. On détermine alors la25 position des coordonnées des points d'intersection de la représentation quadrillée par corrélation optique. Une imagette représentant deux traits qui se croisent est appliquée sur l'ensemble de l'image de manière à déterminer la position des intersections. On détermine ensuite la30 courbure aux points d'intersection. On peut alors reconstruire en trois dimensions la surface du visage à partir des coordonnées et de la courbure des points d'intersection. Une telle technique prend un temps relativement long. D'autre part, l'imagette représente une35 intersection formée par deux droites perpendiculaires. Or, les intersections recherchées sont formées par des courbes 2 un peu déformées après la projection de la grille sur un visage. Elles ne seront donc pas aisément repérées. Un tel procédé ne présente pas une très grande robustesse. L'invention a pour objet un procédé pour restituer des informations relatives à un objet en trois dimensions pour obtenir une représentation dudit objet. L'invention a également pour objet l'obtention d'une représentation d'un objet pour permettre sa visualisation sous un angle quelconque et pour permettre sa déformation.10 L'invention concerne un procédé de restitution d'informations relatives à un objet en trois dimensions pour obtenir une représentation dudit objet, comprenant les étapes suivantes: a) illuminer au moyen d'un faisceau lumineux selon une direction principale au moins une partie de l'objet au travers d'une grille de manière à obtenir une projection de la grille sur ledit objet; b) enregistrer au moins une image de la partie de l'objet illuminé en effectuant une prise de vues au moyen d'un20 appareil d'enregistrement dont l'axe optique est disposé de manière à former un angle inférieur ou égal à 90 avec la direction principale du faisceau lumineux; c) extraire les contours de la projection de la grille sur la partie de l'objet en enregistrant les courbes25 représentant les passages entre les différences de luminance sur l'image enregistrée, les différences de luminances correspondant à la projection de la grille; d) construire, en fonction de la grille utilisée, la surface de l'objet à partir des courbes obtenues en c);30 e) appliquer à la surface de l'objet une texture correspondant à la texture de l'objet. D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins dans lesquels: - la Figure 1 représente un schéma d'un premier mode de réalisation du dispositif utilisé pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention; - la Figure 2 représente l'image obtenue après la projection de la grille sur l'objet; - la Figure 3 représente une image comportant des points correspondants aux contours de l'objet; - la Figure 4 représente le modèle de l'objet prédéfini. Le procédé de l'invention qui va être décrit ultérieurement est prévu pour restituer des informations relatives à un objet en trois dimensions de manière à obtenir une représentation de l'objet, qui peut être par exemple visualisée sur un écran d'ordinateur selon un angle15 quelconque. Le procédé permet de restituer les informations de manière à, d'une part, récupérer la surface de l'objet et, d'autre part, sa texture. A partir de ces informations enregistrées, un utilisateur peut par exemple déformer une ou plusieurs parties de la surface extérieure de l'objet.20 Si on se réfère à la figure 1, on peut voir le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le dispositif comprend une source de lumière 10 prévue pour éclairer au moins une partie d'un objet 20. La source de lumière 10 envoie un faisceau lumineux selon une direction principale dl. Une structure 30, appelée par la suite grille, est disposée entre la source de lumière 10 et l'objet 20. La position de l'objet par rapport à la grille et à la source de lumière dépend, comme on le verra ultérieurement de la taille de l'objet dont on veut30 récupérer l'information. La structure 30 est par exemple un élément présentant des barreaux parallèles. On peut aussi envisager d'utiliser une structure à chevrons, une structure présentant des cercles circonscrits ou tout autre motif. La grille est choisie en fonction de la précision35 des informations que l'on veut récupérer sur l'objet. Plus on souhaite obtenir une représentation précise de l'objet, 4 plus le pas entre deux motifs consécutifs de la grille sera petit. De préférence on utilisera une grille à barreaux parallèles et verticaux, qui présentent des zones sombres et des zones éclairées de largeur pratiquement identique.5 Un dispositif d'enregistrement 40 est disposé de manière à enregistrer une image de l'objet 20 illuminé au travers de la grille 30. L'appareil d'enregistrement est par exemple un appareil de prise de vues numérique. Il est évident qu'un appareil de prise de vues classique peut être utilisélo mais il est nécessaire d'utiliser une image numérique pour le traitement ultérieur de l'image. On devra donc dans ce cas utiliser par exemple un scanner. Le dispositif d'enregistrement 40 est disposé de manière à ce que la direction de son axe optique d2 forme un angle A inférieur15 ou égal à 90 avec la direction principale du faisceau lumineux. On choisira par exemple un angle de 60 . Un processeur central 50 est prévu pour traiter les informations enregistrées par le dispositif d'enregistrement. Il comprend des moyens pour extraire les20 contours de la projection de la grille sur la partie de l'objet de manière à obtenir des courbes et des moyens pour construire une surface à partir des courbes. Le procédé selon l'invention est prévu, de préférence, pour être appliqué à une tête et en particulier pour restituer les informations relatives au visage. Dans la description qui suit, on considère que la tête présente une taille standard. Afin d'enregistrer les informations relatives au visage, on illumine dans un premier temps le visage 20 au moyen de la source de lumière 10, à travers la30 grille 30 de manière à obtenir une projection de la grille sur le visage. On choisit, de préférence, de disposer la source de lumière en face du visage de manière à illuminer la totalité du visage. Le dispositif d'enregistrement 40 étant disposé selon un angle A égal environ à 60 , on enregistre une image d'une partie définie de la tête correspondant dans ce mode de réalisation à environ la moitié du visage, à savoir l'information comprise entre le nez et une oreille. L'image enregistrée représentée à la figure 2 comprend des bandes de luminance différente qui correspondent à la projection de la grille 30. Un fichier5 comportant cette image numérique est alors transmis au processeur central 50 au moyen duquel on va récupérer l'information. Pour extraire les contours de la projection de la grille sur le visage, on utilise un filtre numérique, par exemple un filtre gradient F du type: Le filtre permet de déterminer le passage des zones sombres aux zones lumineuses et des zones lumineuses aux zones sombres. On applique ce filtre F à l'ensemble de l'image dans laquelle chaque pixel présente une valeur de niveau de gris de manière à obtenir une nouvelle valeur pour chaque pixel. On fixe un seuil au delà duquel on considère que le pixel correspond à un passage entre deux20 zones de luminosité différente. Pour les images en couleur, on effectue un calcul bien connu de l'homme du métier de manière à obtenir une image noir et blanc. On applique ensuite un ou plusieurs autres filtres pour éliminer les bruits et lisser les courbes. Il est évident que l'on25 récupère les courbes correspondant aux passages entre deux zones de luminosité différente qui sont sensiblement dans la direction de la grille. On obtient alors une image, représentée à la figure 3, comportant des points correspondants aux contours de la projection de la grille30 sur la partie définie du visage qui a été enregistrée. Les points forment un certain nombre de courbes mathématiques qui correspondent à la projection de la grille sur le visage. Lorsqu'une ou plusieurs courbes sont interrompues dans certaines zones du visage, par exemple dans le cou35 comme on le voit à la figure 3, on complète cette 6 interruption en reliant, par lissage cubique, les éléments d'une même courbe. Les courbes obtenues sont prévues pour construire la surface du visage en tenant compte de la grille utilisée. L'étape de reconstruction de la surface du visage peut être réalisée selon plusieurs méthodes. Dans les méthodes qui vont être décrites ultérieurement, l'objet étant un visage, on considère que celui-ci présente un axe de symétrie qui passe par le nez. A partir des courbes récupérées10 correspondant à la partie du visage définie précédemment, à savoir une moitié du visage, on récupère par symétrie les courbes correspondant à l'autre moitié du visage. Selon une première méthode, on reconstruit la surface du visage à partir des courbes constituées par un ensemble de pixels que l'on a récupérées. Ces courbes sont ensuite transformées en courbes mathématiques appelées "NURBS" (Non-Uniform Rational B-Splines) qui comprennent un certain nombre de points de contrôle sur lesquels on peut agir pour modifier la courbe. De préférence, on effectuera un20 traitement de ces courbes avant de construire une surface, ce traitement consistant notamment à modifier le nombre de points de contrôle, leur position et leur répartition. On construit alors une surface NURBS du visage. Selon une seconde méthode, on utilise un modèle type de la surface du visage. Ce modèle type est constitué par une surface NURBS obtenue par un logiciel de modélisation en trois dimensions connu de l'homme du métier. Le modèle type contient des courbes NURBS dont la direction correspond sensiblement à la direction de la projection de la grille30 sur l'objet. Dans le mode de réalisation utilisé, on définit un modèle type de tête représenté à la figure 4. La taille du modèle type correspond à une taille standard de tête. Le nombre N de courbes NURBS dont la direction correspond sensiblement à la projection de la grille entre35 le nez et une oreille, doit être égal au nombre de courbes récupérées après la projection de la grille sur la partie 7 du visage définie d'une tête standard. Il est évident que lorsqu'on veut restituer les informations relatives à une tête beaucoup plus petite, on positionnera la tête, lors de la prise de vue, de manière que la projection de la grille5 sur la partie du visage soit telle que l'on récupère N courbes après la projection de la grille sur la partie du visage définie, c'est-à-dire entre le nez et une oreille. On fait tendre les courbes NURBS du modèle vers les courbes de l'image de la partie du visage définie que l'on a10 récupérée en agissant sur les points de contrôle des courbes NURBS. On considère que la première courbe que l'on récupère sur le visage passe par la pointe du nez. On commence donc par faire correspondre la courbe du modèle qui passe par la pointe du nez à la courbe du visage. A cet15 effet, on modifie la position des points de contrôle de cette courbe pour la faire correspondre à la courbe du visage. On traite ensuite de la même façon chaque courbe contiguë à celle précédemment traitée du modèle. Pour chaque courbe, plusieurs séries d'ajustement peuvent être20 nécessaires. Le modèle de la surface de visage de départ est ainsi déformé de manière à obtenir une représentation de la surface du visage. Selon une troisième méthode, on utilise des courbes NURBS génératrices d'une surface d'une partie d'une tête, en général l'arrière, et on y ajoute les courbes récupérées transformées en NURBS qui vont générer la surface de l'autre partie de la tête à savoir celle du visage. On peut alors créer une surface NURBS de la tête. Il est évident que dans les méthodes qui viennent d'être décrites on peut créer une surface polygonale à partir des courbes récupérées, au lieu de créer une surface NURBS. On peut également recalculer un modèle polygonal à partir de la surface NURBS obtenue. Plusieurs prises de vues au travers de grilles peuvent être effectuées de manière à récupérer l'information correspondant à des parties disjointes du visage. Les 8 différentes prises de vues sont successives, et pour chaque prise de vue, on applique l'ensemble du procédé de l'invention. On peut ainsi reconstruire la totalité de la surface du visage. Toutefois, dans le cas d'un objet5 présentant une symétrie, comme par exemple dans le cas du visage, on peut effectuer une seule prise de vue d'un côté de la face du visage. L'autre côté est construit par extrapolation. Une représentation en trois dimensions est alors obtenue mais ne comprend pas de texture. Il suffit alors par exemple d'appliquer une texture type de l'objet à la représentation. On peut prévoir que des parties de l'objet, par exemple dans le cas de la tête, les cheveux, sont restitués en utilisant une forme et une texture standard.15 Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend en outre une seconde prise de vue de l'objet au moyen d'un second appareil d'enregistrement 400, sans cette fois projeter de grille. De préférence, cette prise de vue est réalisée pour enregistrer la totalité de la face de20 l'objet. Cette prise de vue permet alors de récupérer la texture de l'objet. Cette texture est alors appliquée à la représentation. A cet effet, on utilise à nouveau le point particulier de l'objet repéré, par exemple le nez dans le cas du visage, et on positionne la texture sur la25 représentation du visage. La représentation obtenue présente une haute définition. Selon un autre mode de réalisation, on prévoit d'éclairer l'objet avec un rayonnement de longueur d'onde comprise dans un premier spectre, par exemple un30 rayonnement de lumière visible. On prévoit également de projeter une grille avec un rayonnement de longueur d'onde comprise dans un second spectre de longueur d'onde différent du premier spectre, par exemple dans l'infrarouge. Dans ce mode de réalisation, l'appareil35 d'enregistrement 40 prévu pour enregistrer la projection de la grille sur l'objet comporte un capteur sensible 9 uniquement aux rayonnements de longueur d'onde appartenant au second spectre. Le second appareil de prise de vue prévu pour enregistrer la texture de l'objet comporte un capteur sensible uniquement aux rayonnements de longueur d'onde5 appartenant au premier spectre. Deux prises de vues simultanées sont effectuées, une permettant l'enregistrement d'une partie de l'objet avec la projection de la grille et l'autre permettant l'enregistrement de la texture de l'objet sans la projection de la grille.10 Il est évident que l'on peut prévoir d'enregistrer à la fois la texture et les contours de la projection de la grille sur l'objet sur un unique enregistrement et de récupérer ces informations en utilisant des algorithmes qui tiennent compte à la fois de l'objet, de la grille et de la15 source de lumière permettant ainsi l'enregistrement simultané. L'invention telle que décrite précédemment permet d'obtenir une représentation d'un objet en trois dimensions qui comprend d'une part la surface de l'objet et, d'autre20 part, sa texture. Une telle représentation peut être utilisée pour être déformée par exemple par un logiciel de déformation d'image. Dans le cas du visage, on peut prévoir par exemple de grossir une partie tout en gardant une surface exacte de25 l'ensemble du visage. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'enregistrement d'informations relatives à un objet en trois dimensions pour obtenir une représentation dudit objet, comprenant les étapes suivantes: a) illuminer au moyen d'un faisceau lumineux selon une direction principale au moins une partie de l'objet au travers d'une grille de manière à obtenir une projection de la grille sur ledit objet; b) enregistrer au moins une image de la partie de l'objet illuminé en effectuant une prise de vues au moyen d'un appareil d'enregistrement dont l'axe optique est disposé de manière à former un angle inférieur ou égal à 90 avec la direction principale du faisceau lumineux; c) extraire les contours de la projection de la grille sur la partie de l'objet en enregistrant les courbes représentant les passages entre les différences de luminance sur l'image enregistrée, les différences de luminances correspondant à la projection de la grille; d) construire, en fonction de la grille utilisée, la surface de l'objet à partir des courbes obtenues en c); e) appliquer à la surface de l'objet une texture correspondant à la texture de l'objet. 2 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape d) est obtenue en faisant tendre des courbes appartenant à un modèle type de la surface de l'objet dont la direction correspond sensiblement à la direction de la projection de la grille sur l'objet, vers les courbes obtenues en c) de manière à déformer une partie du modèle. 3 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape d) est obtenue en ajoutant les courbes obtenues en c) à un modèle type de l'objet comprenant des courbes standards. 4 - Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel, dans le cas o la partie de l'objet présente une partie symétrique dans l'objet, on extrapole la partie les courbes obtenues en c) à la partie symétrique. - Procédé selon la revendication 1 dans lequel on illumine successivement plusieurs parties disjointes de l'objet selon l'étape a), et on applique pour chaque partie les étapes b), c) et d). 6 - Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on enregistre une seconde prise de vue de la partie de l'objet, sans projeter de grille, de manière à enregistrer la texture de l'objet. 7 - Procédé selon la revendication 6 dans lequel la texture appliquée à l'étape e) est celle enregistrée par la seconde prise de vue. 8 - Procédé selon l'une des revendications précédentes qui comprend en outre l'étape consistant à enregistrer une représentation correspondant à la surface de l'objet à laquelle on a appliqué une texture de manière à obtenir une image de l'objet. 9 - Procédé selon la revendication 8 qui comprend en outre l'étape de déformation de l'image de l'objet. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'objet est un visage. 11 - Système de restitution d'informations relatives à un objet en trois dimensions pour obtenir une représentation dudit objet (20) qui comprend: - une source de lumière (10) émettant un faisceau lumineux selon une direction principale; - une grille (30) disposée entre la source de lumière et l'objet (20); - au moins un dispositif d'enregistrement (40) disposé de manière à ce que son axe optique forme un angle inférieur ou égal à 900 avec la direction principale du faisceau lumineux; - un processeur central (50) qui comprend des moyens pour extraire les contours de la projection de la grille sur la partie de l'objet de manière à obtenir des courbes et des moyens pour construire une surface à partir des courbes. 12 - Système selon la revendication 11 qui comprend en outre un modèle numérique d'une représentation en trois dimensions de l'objet (20). 13 - Système selon la revendication 11 ou 12 qui comprend en outre un second appareil d'enregistrement (400). 14 - Système selon la revendication 13 dans lequel l'appareil d'enregistrement (40) comprend un capteur sensible uniquement à des longueurs d'ondes appartenant à un premier spectre et le second appareil d'enregistrement est sensible uniquement à des longueurs d'ondes appartenant à un second spectre différent du premier et dans lequel la source de lumière émet un rayonnement de longueur d'onde comprise dans le premier spectre et la grille est projetée sur l'objet avec un rayonnement de longueur d'onde comprise dans le second spectre.