Immersion 3D au CNAM : assister à la construction de la statue de la Liberté

Il y a 140 ans, la sta­tue de la Liber­té était inau­gu­rée à New York. Et pour célé­brer cet anni­ver­saire, se tien­dra dès sep­tembre 2026 au musée des Arts et Métiers à Paris, l’exposition Lady Liber­té. Le public plon­ge­ra dans les cou­lisses de la construc­tion de ce corps gigan­tesque pen­sé puis fabri­qué en France. Mêlant décors phy­siques et ani­ma­tions en trois dimen­sions, l’exposition pro­pose une expé­rience immer­sive proche de la réa­li­té vir­tuelle, mais sans casque. Elle illustre ain­si les avan­cées tech­no­lo­giques du sec­teur de la modé­li­sa­tion 3D for­te­ment renou­ve­lé notam­ment par l’essor du 3D Gaus­sian Splat­ting, une famille de méthodes per­met­tant des ren­dus très réalistes.

Offerte par le peuple fran­çais pour le cen­tième anni­ver­saire de l’indépendance des États-Unis (mais livrée avec 10 ans de retard !) et éla­bo­rée par le sculp­teur Auguste Bar­thol­di en col­la­bo­ra­tion avec l’ingénieur Gus­tave Eif­fel à Paris, la sta­tue de la Liber­té est le résul­tat de prouesses tech­niques. Com­po­sée d’une enve­loppe en cuivre repo­sant sur une struc­ture métal­lique interne, elle mesure envi­ron 46 mètres. Com­ment un monu­ment si colos­sal mais aux pro­por­tions phy­siques justes a‑t-il été élaboré ?

Les visi­teurs de l’exposition Lady Liber­té seront invi­tés à déam­bu­ler dans une série de salles suc­ces­sives dans les­quelles ils obser­ve­ront les étapes de construc­tion de la sta­tue, de l’élaboration des plans à la pré­pa­ra­tion du bateau qui part direc­tion New York char­gé des dif­fé­rentes pièces de l’ouvrage. Tout au long du par­cours, le public recon­naî­tra cer­tains objets emblé­ma­tiques, comme la main tenant le flam­beau, recons­ti­tués en 3D.

Et l’exposition pousse l’immersion encore plus loin : « Dans une des salles, le décor réel de l’atelier de Bar­thol­di se mélange à un décor pro­je­té : le sculp­teur appa­rait et s’adresse aux visi­teurs depuis une mez­za­nine via une pro­jec­tion 3D basée sur un dis­po­si­tif mêlant deux écrans », explique Hubert Nau­deix, fon­da­teur de la socié­té Aris­teas, en charge des recons­ti­tu­tions et ani­ma­tions 3D de l’exposition. Pour créer cette scé­nette, un comé­dien a été fil­mé en cos­tume, puis, le visage d’Auguste Bar­thol­di à par­tir de pho­to­gra­phies a été inté­gré à la vidéo grâce à l’utilisation de tech­niques d’intelligence artificielle.

« C’est comme une expé­rience de réa­li­té vir­tuelle sauf que vous n’avez pas de casque, vous êtes en par­tie dans des décors réels. La vidéo, les éclai­rages et les sons doivent être par­fai­te­ment syn­chrones », pour­suit-il. Plus loin, le visi­teur se retrou­ve­ra « comme à l’intérieur de la sta­tue : il ver­ra toutes les plaques métal­liques se mettre en place, s’assembler… », ajoute Hubert Naudeix.

L’exposition Lady Liber­té mêle ain­si diverses tech­niques de modé­li­sa­tion 3D. Par exemple, pour la recons­ti­tu­tion d’objets en 3D, deux tech­niques prin­ci­pales ont été employées : la pho­to­gram­mé­trie et le scan laser. La pho­to­gram­mé­trie exploite une série de pho­to­gra­phies prises sous dif­fé­rents points de vue. Des points carac­té­ris­tiques sont retrou­vés d’une image à l’autre, ce qui per­met d’estimer la posi­tion des camé­ras et de recons­truire un nuage de points, puis éven­tuel­le­ment un maillage texturé.

Le prin­cipe géo­mé­trique sous-jacent est celui de la tri­an­gu­la­tion. Le scan laser repose quant à lui sur l’utilisation d’un LiDAR (Light Detec­tion and Ran­ging, ou détec­tion et télé­mé­trie par la lumière), qui mesure la dis­tance entre le cap­teur et les sur­faces visibles en ana­ly­sant le retour d’un signal laser. Il pro­duit ain­si un nuage de points repré­sen­tant les sur­faces visibles de l’objet ou de la scène.

Aujourd’hui, ces tech­niques peuvent être asso­ciées à des outils d’intelligence arti­fi­cielle qui opti­misent et accé­lèrent le pro­ces­sus de recons­ti­tu­tion 3D. Néan­moins, la pho­to­gram­mé­trie et le scan laser pré­sentent cer­taines limites. Par exemple, « la pho­to­gram­mé­trie recons­truit une géo­mé­trie à par­tir de cor­res­pon­dances entre images. Elle peut pro­duire des modèles très fidèles, mais le résul­tat dépend de la qua­li­té des prises de vue, de la tex­ture des sur­faces et de la capa­ci­té à retrou­ver les mêmes détails dans plu­sieurs images », explique Marius Pre­da, maître de confé­rences à Télé­com SudParis.

De plus, « les sur­faces trans­lu­cides, brillantes ou très réflé­chis­santes com­pliquent la recons­truc­tion, car leur appa­rence varie selon l’angle de vue et l’éclairage, et les points carac­té­ris­tiques y sont plus dif­fi­ciles à retrou­ver de manière stable », pour­suit-il. La tech­nique laser est quant à elle « sou­vent plus pré­cise géo­mé­tri­que­ment, mais l’acquisition peut être longue et reste sur­tout adap­tée aux objets ou scènes sta­tiques ; les mou­ve­ments pen­dant la cap­ture com­pliquent for­te­ment la recons­truc­tion », ajoute le chercheur.

Une nou­velle approche per­met aujourd’hui d’améliorer for­te­ment le ren­du visuel des scènes 3D : le 3D Gaus­sian Splat­ting. « Une réelle révo­lu­tion est en marche ! », s’enthousiasme Hubert Nau­deix qui a hâte de pou­voir uti­li­ser cette solu­tion qui est pour l’instant en phase d’expérimentation. Com­bi­nant des méthodes de pointe en info­gra­phie et des tech­niques d’apprentissage auto­ma­tique, la méthode du 3D Gaus­sian Splat­ting per­met d’atteindre « une qua­li­té visuelle opti­male avec une grande finesse de détails », explique le fon­da­teur d’Aristeas.

Un réa­lisme visuel qui dépasse les stan­dards habi­tuels de la 3D grand public. Com­ment ? En uti­li­sant une repré­sen­ta­tion dif­fé­rente de la scène. Alors qu’avec la pho­to­gram­mé­trie, l’on pro­duit sou­vent un maillage de tri­angles auquel on applique une tex­ture, le 3D Gaus­sian Splat­ting repré­sente la scène par un ensemble de petites « tâches » appe­lées « pri­mi­tives gaus­siennes » 3D. Cha­cune est décrite notam­ment par sa posi­tion, sa taille, son orien­ta­tion, son opa­ci­té et sa cou­leur. Il ne sup­prime donc pas toute géo­mé­trie : il rem­place sur­tout le maillage tri­an­gu­laire par une repré­sen­ta­tion du volume opti­mi­sée pour le rendu.

« C’est exac­te­ment le même prin­cipe que les pixels sur une image : vous ne voyez pas les pixels quand vous la regar­dez mais si vous zoo­mez, vous les voyez les uns à côté des autres », explique Hubert Nau­deix. « L’objet patri­mo­nial est ain­si recons­ti­tué visuel­le­ment, et de manière très fidèle à la réa­li­té, notam­ment au niveau des pro­prié­tés de cou­leurs et des tex­tures », ajoute Marius Pre­da. Si les prin­cipes du splat­ting et des « pri­mi­tives gaus­siennes » existent depuis long­temps en info­gra­phie, le 3D Gaus­sian Splat­ting connaît un regain d’intérêt grâce au tra­vail de l’équipe de recherche Gra­ph­De­co de l’Inria¹ qui, en 2023, a pro­po­sé une méthode qui per­met un ren­du en temps réel.

Aujourd’hui, les entre­prises des sec­teurs de l’audiovisuel et des jeux vidéo se bous­culent pour tes­ter et déve­lop­per leurs solu­tions basées sur cette tech­no­lo­gie inno­vante. Et dans une optique de démo­cra­ti­sa­tion de l’accès aux tech­no­lo­gies 3D avan­cées, à Télé­com Sud­Pa­ris², Marius Pre­da et son équipe expé­ri­mentent ces approches dans la conti­nui­té de la pla­te­forme « Méta­vers des musées », afin d’améliorer la qua­li­té visuelle des modèles 3D patri­mo­niaux et de rendre ces tech­no­lo­gies plus acces­sibles aux musées partenaires.

À tra­vers le pro­jet « ICON », lan­cé cette année en conti­nui­té de celui du « méta­vers des musées » et pré­vu pour 3 ans, le cher­cheur vise à « accé­lé­rer la créa­tion de conte­nus fon­dés sur le Gaus­sian Splat­ting, en lien avec les besoins de scé­no­gra­phie ». Cette toute nou­velle approche pour­rait ain­si répondre au défi majeur des musées qu’est celui de pré­ser­ver l’authenticité de l’expérience cultu­relle dans un envi­ron­ne­ment virtuel.

Olympe Delmas

Poly­tech­nique Insights est par­te­naire média de l’exposition « Lady Liber­ty » au Musée des Arts et Métiers, qui pro­pose une expé­rience immer­sive au cœur de l’histoire et de la construc­tion de la sta­tue de la Liberté.