Premières considerations

Depuis au moins le tournant des années 2000, nous avons vu les techniques de modélisation 3D prendre une place de plus en plus importante dans la pratique archéologique (Douglass, et al. 2015; Forte and Pietroni 2009; Kadobayashi, et al. 2004; Riel-Salvatore, et al. 2002). La diminution des prix associés aux techniques de modélisation surfaciques comme la photogrammétrie a aussi contribué à une utilisation plus large de ces méthodes par la communauté et a eu un impact particulièrement important dans la documentation et les analyses en bioarchéologie de manière générale (Ghalem 2021; Gutiérrez, et al. 2016; Martin-Moya, et al. 2020; Wrobel, et al. 2019). Leur utilisation grandissante a été encouragée par la flexibilité inhérente de ces techniques d'application (Douglass, et al. 2015; Magnani, et al. 2020). De plus, le coût considérablement plus bas lié à son utilisation comparativement à d'autres techniques d'imagerie comme la tomodensitométrie (CT- scan : computed tomography) et la micro-tomodensitométrie (µCT) en est aussi probablement la cause (Mathys, et al. 2014). Quelle que soit la méthode utilisée, nous voyons une adoption rapide et grandissante de la numérisation et de la recherche basées sur ce type de données dans la pratique bioarchéologique au Québec et ailleurs dans le monde. Ce gain d'intérêt pour leur utilisation dans les activités de travail et d'analyse en bioarchéologie est aussi corrélé avec une augmentation du nombre et de la taille des collections numériques (Forte and Campana 2017; Garstki 2020; Kjellman 2012; McCarthy, et al. 2019; Nobles and Roosevelt 2021; Pritchard, et al. 2021).

Historique

Depuis la nuit des temps, l'être humain a eu le désir de se représenter son environnement à travers le dessin, parfois dans une forme abstraite dont le sens nous échappe. Nous pouvons ainsi penser aux cartographes des 17e et 18e siècles qui ont eu à cœur de réaliser des cartes miniaturisées des territoires connus en reproduisant fidèlement la topographie, une première forme de virtualisation de l'environnement. Certains pionniers de la photographie, tel Nadar, furent les premiers à utiliser la photographie aérienne pour documenter un quartier de Paris en France dès 1858 (Tseng 2014). Il faudra attendre le début des années 1970, avec l'avènement et les innovations en matière informatiques pour que commence lentement l'émergence de la reconstruction en trois dimensions (Szeliski, 2011). Vers la fin des années 70, la technologie et les algorithmes auront permis le développement d'outils particulièrement dédiés à la recherche médicale permettant de réaliser des diagnostics de façon non invasive sur le corps humain. En parallèle, d'autres méthodes furent développées afin de réaliser des relevés topographiques de haute qualité par reconstruction laser aéroportée tout en continuant d'exploiter la photo aérienne traditionnelle. Comme pour beaucoup de technologies, ces premiers pas dans la modélisation en trois dimensions sont surtout restés confinés dans les sphères étatiques et médicales du fait du prix que représentent de tels investissements. Il faudra attendre la fin des années 1990 début 2000 pour voir certaines de ces méthodes se démocratiser dû à une plus grande accessibilité du matériel informatique. Les premiers algorithmes ont surtout été collaboratifs entre différents codeurs. Ce n'est que durant le milieu des années 2000, particulièrement autour de 2015, que les modélisations furent très popularisées et appliquées à un large éventail de matériel.

Finalement, la miniaturisation, des ordinateurs et caméras de plus en plus performants poussèrent les communautés scientifiques à adopter ces nouvelles méthodes dans le cadre de la recherche, apportant de nouvelles avenues et permettant de répondre à des questions de plus en plus précises ou d'avoir recours à de nouveaux algorithmes, tels que ceux utilisés en intelligence artificielle.

Les méthodes

La révolution numérique s'est enclenchée vers la deuxième partie du 20e siècle, principalement à cause de l'avènement de l'informatique où l'information peut être numérisée, stockée, modifiée et transférée grâce à des appareils, tels les ordinateurs, les téléphones intelligents et les tablettes (Chantepie and Le Diberder 2010). L'arrivée du numérique engendre des changements de paradigmes dans le milieu scientifique, où dorénavant la technologie font partie intégrante à la recherche. En outre, le développement de méthodes innovatrices dans l'imagerie et la visualisation a permis une meilleure compréhension de l'humain et de son environnement. En anthropologie, cette révolution technologique s'est manifestée par l'émergence d'une nouvelle branche de recherche : l'anthropologie virtuelle (Baltsavias 1999)99 #8125}(Friess 2012; Katz and Friess 2014). L'idée générale est de transformer des objets réels en information digitale qui peut être analysée, traitée, quantifiée et visualisée avec divers logiciels (Weber and Bookstein 2011).

Ce long développement technologique a permis d'obtenir de multiples méthodes applicables en archéologie et bioarchéologie. À noter que les outils utilisés se développement à une vitesse exponentielle, corrélée au développement des technologies. Cette section présentera certaine d'entre elles.

CT-scan

Le CT-scan est une méthode d'imagerie médicale non invasive consistant en l'utilisation de rayons-X par coupe pour reconstituer l'ensemble du sujet d'étude, tant extérieur qu'intérieur. Ainsi, après traitement informatique, l'opérateur est en mesure d'observer, de manipuler ou d'obtenir une coupe du sujet. Cette méthode est particulièrement intéressante lorsque l'objet d'étude est fragile, nécessite une inspection surfacique et interne sans pour autant l'altérer. Cette technologie fut utilisée sur la momie égyptienne d'Amenhotep afin de désemmailloter numériquement la momie ainsi que d'analyser le contenu culturel associé au corps du défunt pharaon tout en restant respectueux du corps. La méthode est relativement rapide suivant les modèles d'instruments et possède une précision de l'ordre du millimètre.

Scanner surfacique

Le scanner surfacique, aussi appelé la méthode de numérisation par laser, est une technologie non destructive et non invasive, qui capture numériquement la forme d'objets physiques à l'aide d'une lumière laser (Friess 2012; Katz and Friess 2014; Tocheri 2009; Weber and Bookstein 2011). Lorsque le laser rentre en contact avec la surface et se déplace tout le long de la surface de l'objet, des informations de profondeurs sont enregistrées à des intervalles particuliers, grâce à un capteur qui suit la réflectivité du laser sur la surface. Ce travail se fait en mesurant les distances entre les divers points détectés sur la surface par rapport à une seule localisation spatiale, l'origine du système de coordonnées, et seront par la suite converties en coordonnées 3D : X, Y et Z. Un avantage est que l'acquisition d'un modèle 3D avec un scanneur de surface est un processus automatisé. Autrement dit, il y a moins de risques d'erreurs de la part de l'utilisateur dans la modélisation, étant donné que l'appareil complète automatiquement toutes les étapes (Tocheri 2009). Pour ce qui est des inconvénients, les scanneurs de surface sont très coûteux. De plus, avec le développement rapide de la technologie, il devient important aux chercheurs de se procurer les dernières machines performantes et donc de renouveler souvent ce matériel dispendieux (Friess 2012).

La Photogrammétrie

La photogrammètrie est un processus de reconstruction basé à partir de photographies numériques prises selon des points de vue différents. La méthode est particulièrement basée sur le SFM (Structure from Motion) qui, par le biais d'un algorithme, va analyser les différentes photographies pour identifier des points analogues se retrouvant dans plus qu'un cliché. A partir de ces points, le logiciel va extrapoler la position initiale de la caméra (X, Y, et Z) et ainsi restituer la géométrie générale de l'objet. Une fois ce processus fait, le logiciel va pouvoir reconstruire les surfaces de l'objets ainsi que sa texture en repeuplant les intervalles entre les points analogues avec le reste du cliché.

LiDAR

Le LiDAR est un système de télédétection actif. Un système actif signifie que le système lui-même génère de l'énergie - dans ce cas, des lasers afin mesurer des choses ce qui se trouve à proximité. La pulsion laser se déplace vers le sol et se reflète sur des éléments tels que des bâtiments et des branches d'arbres et retourne ensuite au capteur LiDAR où elle est enregistrée. Dans ce processus, LiDAR mesure le temps nécessaire pour se rendre au sol et revenir. Ce temps est utilisé pour calculer la distance parcourue qui est ensuite convertie en altitude. Ces mesures sont ensuite attribué des coordonées à l'aide d'un recepteur GPS qui identifie l'emplacement X, Y, Z assisté par une unité de mesure interne (IMU) qui fournit les information sur l'orientation et la rotation dans le cas de l'utilisation de cette méthode de mesure à bord d'un avion ou par drone.

Considérations sur la modélisation

De nombreux éléments sont évidemment à prendre en compte lors de la numérisation, notamment conserver une trace écrite des modèles produits dans un inventaire clair et accessible. Cela est crucial puisqu'il permettra aux futures recherches de ne pas numériser une nouvelle fois une pièce. Il est aussi nécessaire de prendre en compte le stockage, les droits d'exploitations et qui peut avoir accès aux modélisations. Plusieurs autres points doivent être pris en considérations se résumant à :

Bibliographie