Compression de maillages surfaciques pour leur visualisation et manipulation sur des systèmes d’affichage 3D
Directeur de thèse : Marc ANTONINI, Directeur de Recherche CNRS, HDR (am@i3s.unice.fr) Co-directeur : Frédéric PAYAN, Maître de Conférence à l’UNSA (fpayan@i3s.unice.fr) Laboratoire I3S UMR 6070 Université de Nice-Sophia Antipolis et CNRS
2000, route des Lucioles, bât. Algorithmes/Euclide B, BP-121, 06903 Sophia Antipolis, cedex 1. Introduction
Le développement croissant de l'infographie et de la vision a permis une modélisation tridimensionnelle du monde dans lequel nous vivons. Le but est de modéliser un objet ou une scène comportant plusieurs objets à l'aide d'une description géométrique en exploitant des primitives géométriques (les polygones, les volumes, etc.) situées dans l'espace tridimensionnel euclidien. Un objet tridimensionnel peut alors être représenté par un nuage de points dans l'espace, par un maillage volumique composé de polyèdres, ou par un maillage surfacique composé de polygones plongés dans l'espace. Les maillages surfaciques sont en passe de devenir la représentation standard pour modéliser les objets 3D géométriques grâce à leur simplicité et leur efficacité. En effet, ces maillages sont composés à la fois d'une information géométrique (des sommets situés dans l'espace euclidien traduisant la forme générale de la surface), d'une information topologique (traduisant la manière dont sont connectés les sommets) et enfin d’une information de texture (qui a pour but de rendre l’objet 3D réaliste). Cette double nature combinatoire (géométrie et topologie) permet de représenter n'importe quelle forme géométrique et fait du maillage surfacique un outil puissant pour modéliser de façon réaliste (grâce à la texture) les objets complexes tridimensionnels.
Le rendu et l’affichage des données 3D est certainement une des applications les plus prometteuses du domaine de traitement de l’image. L’idée sous-jacente liée à cette application est de pouvoir visualiser tout type d’objet en trois dimensions. Des industriels ont d’ailleurs déjà développé diverses techniques et supports d’affichage permettant ce type de vision : lunettes stéréoscopiques, écrans basés sur l’auto-stéréoscopie (ne nécessitant donc plus de lunettes), ou encore les hologrammes.
Cependant, ces nouvelles techniques d’affichage 3D soulèvent de nombreuses questions quant à l’efficacité des différentes méthodes actuelles de traitement de l’image, depuis la capture de la scène jusqu’à la visualisation : modélisation, amélioration, analyse, compression, transmission, etc. Il semble en effet relativement évident que les méthodes et normes actuelles utilisées pour traiter les objets 3D sont inadaptées à ces nouveaux supports. De plus, bien que la taille des disques durs et la vitesse de transmission des réseaux ne cessent d'augmenter, la compression reste une technique indispensable pour stocker, manipuler, ou transmettre plus aisément des données numériques de plus en plus volumineuses. Cela est d'autant plus vrai pour les objets géométriques comme les maillages surfaciques (statiques ou dynamiques) qui représentent des quantités de données massives. Une question importante se pose alors : Quel est l’impact de la compression sur le rendu et l’affichage de ces maillages surfaciques au moyen d’un support d’affichage 3D ?
2. Problématique et travail de thèse
Les maillages surfaciques sont un outil puissant pour modéliser des objets 3D complexes grâce à leur représentation simple : sommets (géométrie) et arêtes (topologie). On peut distinguer de façon basique deux types d’approches : les représentations monorésolutions (maillages de base) et multirésolutions (maillages multiéchelles). Nous nous focaliserons dans cette thèse sur les approches multirésolutions utilisant une transformée en ondelettes 3D sur des maillages surfaciques [Loun94].
Ce type d’approche permet notamment de réduire au minimum l’information topologique nécessaire pour représenter le maillage [Schr95], [Kova99], ce qui permet d’allouer très peu de bits de codage pour cette information. Les approches multirésolutions permettent en outre d’être « scalables » en résolution, en débit, en qualité ou encore en complexité.
Les méthodes de compression géométriques multirésolutions se basent sur la quantification et le codage des coefficients issus de la transformée en ondelettes 3D. Ces coefficients se répartissent dans différentes sous-images 3D. De plus, l’information de texture doit être aussi prise en compte et son
codage doit être fait conjointement à celui de la géométrie. Pour assurer une compression efficace des différentes sous-images géométriques ainsi que de la texture, les paramètres de quantification et de codage doivent être estimés de façon à optimiser le compromis débit/distorsion. Il est alors nécessaire d’effectuer conjointement une allocation des débits (ou de la qualité) au travers des différentes sous- images géométriques issues de la transformation et sur les données texturelles. Cette optimisation est un point délicat et important qui établit les performances de la méthode de compression. Elle doit donc être faite de manière « optimale » de façon à réduire l’impact des dégradations apportées par la compression sur la perception visuelle lors de la restitution 3D au moyen d’une technologie de type écran lenticulaire ou encore lunettes actives. En effet, est-ce que les critères classiques de distorsion utilisés pour évaluer la qualité (erreur quadratique moyenne…) sont des critères pertinents quant il s’agit d’évaluer la qualité des objets 3D compressés/décompressés et l’impact de la compression sur leur rendu ? Est-ce qu’un critère de distorsion plus géométrique (comme la distance de Hausdorff fréquemment utilisée pour les objets 3D) est plus adapté ? Le développement d’algorithmes de codage, de compression ou de transmission passe inévitablement par ce type d’étude préliminaire. Certains travaux ont été récemment publiés dans ce domaine, mais tout cela reste un problème complètement ouvert, et très prometteur.
Le sujet de thèse que nous proposons est un sujet très novateur qui offre de nombreuses perspectives. Il s’oriente principalement vers l’analyse de l’impact visuel de la quantification et du codage sur les objets 3D lorsqu’ils sont visualisés sur les nouveaux supports d’affichage 3D. La principale question sera de voir comment il est possible de prendre en compte les spécificités et les caractéristiques propre à la visualisation 3D sur ces nouveaux supports lors de la quantification ou de la compression de maillages surfaciques 3D texturés, statiques ou dynamiques.
3. Axes de recherches abordés
La mise en place d’un tel système de quantification, d’allocation de ressources binaires et de restitution 3D nécessite de résoudre différents problèmes que nous pouvons décomposer en deux axes principaux de recherche :
1. L'idée basique des méthodes de compression basées sur l'analyse multirésolution est d'optimiser le compromis entre la taille de la trame binaire et la qualité visuelle du maillage reconstruit. Ce principe appelé allocation binaire est un outil essentiel pour optimiser les codeurs exploitant l'analyse multirésolution. Cette opération doit répartir les débits entre l’information géométrique, topologique ainsi que de texture, apportées par le maillage, et doit contrôler et minimiser les pertes dues à la quantification en optimisant le compromis débit- distorsion [Paya05]. Dans cette thèse, il s’agit de concevoir un algorithme d’allocation des débits capable de contrôler la qualité globale du maillage décodé pour une visualisation sur un système d’affichage 3D (écran lenticulaire, lunettes actives…). Les caractérisques (fonction de transfert, …) des systèmes de visualisation devront de façon évidente être prises en compte par l’algorithme d’allocation.
2. Si l'on veut contrôler la qualité visuelle du maillage reconstruit durant l'allocation binaire, une mesure est nécessaire. Cette mesure servira à évaluer les dégradations visuelles (provoquées par la quantification des données) entre le maillage initial et le maillage reconstruit après quantification. Le problème est évidemment de savoir quelle métrique choisir pour bien contrôler ces dégradations lors d’une visualisation sur un système d’affichage 3D. Dans le domaine de l'image ou de la vidéo, de nombreuses mesures de distorsion ont été proposées pour estimer la qualité des signaux reconstruits : de l'erreur quadratique moyenne (EQM) mesurée à partir des échantillons quantifiés à des méthodes plus complexes basées sur la perception visuelle humaine. Dans ces domaines, l’EQM est souvent le critère de qualité choisi pour mesurer l'efficacité car il est adapté aux données traitées, et traduit finalement relativement bien la qualité visuelle à faible taux de compression. Pour les objets tridimensionnels, le problème est plus complexe car une métrique ne peut pas s'appliquer uniquement sur la géométrie des échantillons (les sommets) composant le maillage. En effet, la qualité visuelle d'un objet tridimensionnel dépend de la géométrie mais aussi de la topologie, de la courbure de l'objet, du lissage, etc. L’objectif de cette thèse est d’apporter une
solution à ce problème en prenant en considération les caractéristiques du système d’affichage 3D.
Références
[Loun94] M. Lounsbery, T. DeRose and J. Warren, Multiresolution Analysis for Surfaces of Arbitrary Topological Type, Master’s Thesis, 1994.
[Schr95] P. Schröder and W. sweldens, Spherical Wavelets: Efficiently Representing Functions on the Sphere", Proceeding of SIGGRAPH’95, p. 161-172, 1995.
[Kova99] J. Kovacevic and W. Sweldens, Wavelet families of increasing order in arbitrary dimensions, IEEE Transaction on IP, 1999.
[Paya05] F. Payan and M. Antonini. An efficient bit allocation for compressing normal meshes with an error-driven quantization. Computer Aided Geometric Design, Special Issue on Geometric Mesh Processing, Elsevier, Vol.22, issue 5:466-486, juillet 2005.
