Contexte de recherche : vers un patrimoine tout numérique ?

Pour optimiser sa création de valeur, l’entreprise adapte sans cesse son mode de fonctionnement et ses outils de production. Les machines considérées comme obsolètes, car ne répondant plus à la demande, sont arrêtées, remisées voire démantelées. Ainsi, certains sites industriels disparaissent et les hommes emportent avec eux les savoir-faire qu’ils y ont développés. L’absence de protection de ce patrimoine technique et industriel pose aujourd’hui question car cette culture technique s’avère parfois transposable à des domaines d’applications connexes.

Ce constat est valable quel que soit l’objet considéré : machines, usines, outils de défense du Moyen-Age, châteaux forts, patrimoine sacré (statuaire et bâti), instruments scientifiques ou techniques… Tout artefact, témoignage de notre passé ou de notre histoire, que l’on dénomme “patrimoine” est concerné.

Sauvegarder, analyser et comprendre ces objets du « patrimoine passé » peut permettre de les transformer en « capital présent« . La transposition des connaissances du passé en connaissances contemporaines, lisibles et compréhensibles dans le système socio-technique présent peut alors devenir source d’innovation pour anticiper notre futur.

La valorisation du patrimoine n’est plus seulement considérée comme un devoir de mémoire mais comme un besoin et un atout économique et pédagogique, facilitée par le développement des technologies numériques comme le statuait Jean Davallon dès 2002.

Reverse-engineering et numérisation 3D, capitalisation des connaissances, modélisation de systèmes d’information, réalité virtuelle… les outils de l’ingénieur peuvent apporter une réponse robuste et pérenne. Les avancées dans le domaine des outils numériques, issus de l’industrie manufacturière, le permettent. S’appuyant sur des technologies répandues, stables, et toujours en pleine dynamique d’innovation, ces moyens permettent la mise en scène des objets, la représentation des flux de matière, du personnel, de l’environnement, sous forme de maquettes numériques.

Problématique économique et industrielle : vers un patrimoine trop numérique !

La palette d’outils de réalité virtuelle croît en permanence, avec de nouvelles interfaces, de nouvelles modalités interactives. Ces outils rendent possible l’accès à l’ensemble des connaissances d’un objet, dans la mesure où celles-ci sont numérisées et capitalisées (avec indexation voire mise en relations sémantiques). Ainsi, tout en dépassant l’approche techniciste, les applications, entendues comme des programmes et des médiations numériques culturelles, se trouvent au croisement des arts, des sciences et du numérique. Les applications, qui recoupent les prescriptions techniques (inscrites dans les dispositifs), mais aussi méthodologiques (institutions patrimoniales et publics de la culture), se développent dans le domaine patrimonial. Mais ce foisonnement de dispositifs ne s’inscrit pas dans les guides de bonnes pratiques existants (TICCIH, UNESCO, London Charter), et ne donne lieu à aucun standard. Les rares préconisations existantes (CIPA pour l’ICOMOS, Getthy Conservation Institute…) ne font qu’état des outils de digitalisation ou de stockage des données 3D brutes, ni les processus d’interprétation ni de compréhension des modèles virtuels 3D sont intégrés.

Le domaine culturel, et a fortiori le domaine patrimonial, n’échappe pas aux réalités économiques de notre société actuelle visant toujours une rentabilité au plus rapide. Trop souvent les appels à propositions de subventions ou les demandes de valorisation sont fortement contraintes par le temps et ne permettent pas une réflexion de fond. En conséquence (néfaste), les outils du numérique et du virtuel sont partout utilisés à des fins de communication tel un effet de mode : “le visuel primant sur l’usage et la mémoire”.

Musées, associations du patrimoine, collectionneurs privés, conservent la mémoire d’un temps au travers d’objets que l’on nous expose, nous visiteurs, de manière pérenne ou temporaire. Capitaliser notre patrimoine, quoi de plus commun en somme. Mais que se passe-t-il lorsque la science et la haute technologie s’en mêlent ? Lorsque l’analyse d’un objet historique croise des disciplines aussi différentes que complémentaires, faire renaître de vieux objets requière d’utiliser des langages techniques et des savoirs scientifiques pointus.

Problématique scientifique : vers une représentation digitale sémantique ou physique ?

L’utilisation des outils de l’ingénieur et du numérique au profit de la conservation et de la valorisation du patrimoine culturel a déjà fait l’objet de nombreux travaux de recherches théoriques. Cependant, les institutions patrimoniales, et plus particulièrement les musées et le champ de la muséologie souffrent d’un manque méthodologique pour accompagner de manière durable la gestion des connaissances et la valorisation du patrimoine. Il est donc nécessaire de formaliser cette nouvelle chaîne numérique afin d’y apporter une validité scientifique, porteuse d’une déontologie signifiante tant pour les professionnels, les experts que le grand public. Proposer des applications à base de nouvelles technologies et de 3D doit tout d’abord permettre un apport de connaissances et un enrichissement de l’objet patrimonial.

Depuis une dizaine d’années, avec l’essor des technologies de numérisation, conservation et valorisation, le patrimoine culturel est un domaine dont l’ensemble des disciplines des Humanités Numériques s’empare. On note par exemple les travaux initiés sur les bases de données autour de la TGIR Huma-Num ; deux des partenaires de ce projet ANR RéSeed font partie du Consortium3D labellisé par la TGIR Huma-Num. Pour autant, les problématiques soulevées par l’utilisation de données physiques de type 3D représentent encore des champs d’investigations largement ouverts.

L’utilisation de la 3D n’est plus réservée à la seule production des images cinématographiques ni au monde du jeu vidéo. La 3D a intégré tous les environnements de notre vie quotidienne tant personnelle que professionnelle… Le champ patrimonial n’a pas échappé à cette tendance. Il est désormais partagé entre deux points de vue :

une capitalisation des connaissances (géométriques) à des fins d’analyse scientifique; de mesure, de partage et de conservation ; une médiation destinée au grand public. L’enjeu de notre approche réside dans la déontologie que chaque acteur du patrimoine est prêt à mettre en œuvre pour aller au-delà des belles images figurant usuellement de faux artefacts de notre réalité passée.

Un constat s’impose : la production de documents numériques (à vocation d’archivage ou non) devient quasi systématique lors de l’étude d’objets patrimoniaux. Face à ces pratiques plusieurs questions émergent:

celle de la capitalisation de cette documentation numérique (Quoi et comment stocker ?), celle de l’accès à ces données (Comment accéder efficacement à ce qui est stocké ?), celle de l’interopérabilité de ces données (Comment partager ce qui est stocké ?), celle des usages.

La mise en correspondance de sources hétérogènes (manuscrits, savoir-faire, archives orales) est essentielle à la re-contextualisation de ces objets dans leur utilisation d’origine. Comprendre le contexte nécessite une réelle approche sémantique : les objets portent d’abord du sens avant de porter une fonctionnalité, c’est ce que nous apprend le contexte de l’époque, l’histoire, la culture… En ce sens, la documentation de l’objet de patrimoine est essentielle.

Les outils des sciences de l’ingénieur et les technologies numériques en particulier offrent un terrain d’expérimentation fertile pour les possibilités de modélisation et d’accès aux documents historiques (archives, vestiges archéologiques, etc.).

De plus, une des problématiques est qu’il n’existe toujours pas de méthodologie formalisée (avec les outils associés) pour la gestion du processus global de patrimonialisation. Il existe certes de nombreux travaux proposant des méthodes détaillées pour la numérisation (3D ou 2D) d’artefacts, notamment en archéologie, ou pour la structuration des données historiques à destination du web de données, mais il n’existe pas de méthodologie couvrant l’intégralité du processus de patrimonialisation tel que défini par les Digital Humanities.

Travaux antérieurs sur la gestion des connaissances et la digitalisation 3D

Deux domaines scientifiques nourrissent nos travaux :

d’un côté, les outils de contrôle et de mesure dimensionnelle (principalement les théodolites à balayage laser et les outils de stéréovision), les outils de la Conception Assistée par Ordinateur, l’imagerie de synthèse et la rétro-conception, d’un autre côté, la gestion des connaissances : les métadonnées, la gestion de documents, les bases de données, le traitement automatique du langage…

Certains partenaires du projet ont déjà œuvré dans le domaine de la gestion des connaissances sur tout le cycle de vie des produits manufacturés. Ces travaux ont fait l’objet de financements ANR et ont produit des résultats intéressants et exploitables industriellement. Il s’agit des projets ANR COSINUS 2008 PHENIX et ANR MN 2012 METIS.

Le domaine d’application du projet PHENIX était la pièce mécanique manufacturée. Considérant ces pièces, souvent issues de produits anciens (vieilles voitures, vieilles machines encore exploitées mais plus fabriquées), il s’agissait de les reconstruire virtuellement afin de les re-fabriquer. Pour cette reconstruction virtuelle, nous avons essayé de retrouver les connaissances originelles qui avaient été utilisées pour la prime conception. Le projet PHENIX a mis en évidence que la forme d’une pièce mécanique était le fruit de deux aspects :

sa fonction et les procédés de fabrication mis en œuvre. En effet, la géométrie d’une pièce n’est pas que liée à son rôle dans le mécanisme (esthétisme, robustesse, effort, intégration avec d’autres composants…) mais également aux modalités de fabrication (exemple : présence de formes nécessaires à la forge ou à la fonderie …). La forme d’une pièce est donc le fruit d’un processus de conception par intégration de connaissances. Le projet PHENIX & proposé une approche d’extraction des connaissances. D’un point de vue technique, PHENIX permet de retrouver le modèle CAO (Conception Assistée par Ordinateur) qu’aurait obtenu le concepteur originel s’il avait utilisé un modeleur CAO moderne. Ces résultats ont positionné PHENIX en avance sur les logiciels du marché (exemple : GEOMAGIC, RAPIDFORM ou les modeleurs CAO classiques type CATIA V5) qui ne proposent que des approches géométriques, non basées sur les connaissances des concepteurs.

Après que cette approche ait permis de traiter le cas d’une pièce mécanique, il fallut s’intéresser au produit/mécanisme dans son ensemble. Ce fut le but du projet METIS.

L’hypothèse principale du projet METIS était que, pour la rétro-conception d’un grand ensemble mécanique complexe, les informations purement géométriques sont insuffisantes. METIS visait à proposer une solution pour intégrer l’ensemble des informations (y compris les informations géométriques) disponibles sur l’ensemble mécanique étudié afin de les traiter et d’en extraire une maquette numérique qui intègre les connaissances des concepteurs (comme pour PHENIX) mais aussi des utilisateurs, fabricants… et finalement de tous les acteurs du cycle de vie.

Là où PHENIX ne considérait qu’une pièce mécanique, METIS considérait un ensemble. Là où PHENIX n’utilisait qu’une technologie pour virtualiser la géométrie, METIS se devait d‘intégrer des informations hétérogènes. Si l’ensemble mécanique considéré est un navire, par exemple, il est inconcevable de n’utiliser qu’une technologie (et donc qu’une seule source de données) pour appréhender sa géométrie vu les différentes échelles considérées (d’une coque de 100 mètres à des détails de quelques millimètres). Il s’agissait donc de créer une approche permettant à un utilisateur d’extraire les connaissances qui ont été intégrées au fil du temps dans le produit au sein d’un ensemble de données hétérogènes (géométriques mais pas uniquement) parfois incomplètes, telles que des images, des plans 2D, des nuages de points issus de numérisations 3D, des croquis, des photographies, des rapports de maintenance, des résultats de calculs…, voire même une ancienne version de la maquette numérique. D’un point de vue technique, METIS permet de générer une maquette numérique intégrant les connaissances que les acteurs originels du développement avaient intégrées.

Aujourd’hui, nous ambitionnons d’étudier un objet scientifique, technique et sémantique riche : le patrimoine scientifique et technique. Pour cela nous affirmons que les précédents travaux concernant les objets manufacturés peuvent être étendus aux objets patrimoniaux. Deux réalisations témoignent de cette possibilité : le projet Nantes1900 et les Salons Mauduit.

Le projet Nantes 1900, inauguré en septembre dernier a été mené en collaboration entre l’IRCCyN, le CFV et le Musée d’Histoire de la ville de Nantes au Château des Ducs de Bretagne. Il a abouti à la numérisation 3D de la maquette du Port de Nantes, datée de 1900 (20 m2 à l’échelle 1:400). Ce projet pluridisciplinaire avait pour objectif de faciliter la transmission de l’histoire de cette maquette et du Port qu’elle représente avec le développement d’une interface interactive pour une découverte renouvelée de l’objet[Guillet & al 2015].

Plus récemment, les travaux ont conduit à travailler sur une navigation en réalité virtuelle dans un univers patrimonial : les Salons Mauduit. Les bâtiments contenant cette salle de réception ont été détruits. L’interface de “visite guidée mais libre” permet à l’utilisateur d’accéder à un grand nombre de données historiques artificiellement spatialisées et sémantiquement liées. Cette interface prolonge les travaux de Nantes 1900 en accentuant le caractère “sémantique” de la navigation, permettant par exemple l’accès à des données non situables comme la biographie d’un personnage (éventuellement artificiellement spatialisée), tout en offrant une immersion spatiale dans les lieux disparus.

D’autres projets d’envergure ont été menés comme celui de la reproduction à échelle 1:1 d’une machine à laver le sel servant autrefois à Guérande, en collaboration avec le Musée des Marais Salants de Batz-sur-Mer, ou la valorisation en réalité augmentée et l’exploration en réalité virtuelle de monuments ou sites disparus ou dégradés par le temps : le pont transbordeur de Nantes, la poudrerie royale de Saint-Chamas, les Forges de Paimpont

État de l’art des travaux similaires

Tout le monde s’accorde pour dire qu’il y a “un besoin urgent de pouvoir passer rapidement et efficacement d’un enregistrement de données 3D à un modèle CAO enrichi sémantiquement”[Hichri & al 2015].

Depuis 1962 avec les travaux de Pierre Bézier sur la formalisation mathématique des formes physiques par des courbes paramétrées, de nombreuses initiatives ont permis de faire avancer la représentation virtuelle des objets.

La segmentation de nuage de point est un domaine de recherche dynamique et en pleine expansion [Erdos & al 2015], trois approches sont à envisager : la segmentation manuelle, automatique et semi-automatique. Ainsi il est possible d’aller jusqu’au bout de la démarche et envisager une reconstruction virtuelle.

Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour permettre une meilleure utilisation du modèle 3D.

Les travaux de recherche sont très nombreux ; réaliser un état de l’art technologie par technologie ne saurait être exhaustif. Voici quelques projets remarquables en rapport avec ReSeed :