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La 3D en archéologie : histoire, enjeux et études de cas

La tomographie, l’impression 3D et la réalité virtuelle au service de l’archéologie

Théophane Nicolas, Ronan Gaugne, Cédric Tavernier et Valérie Gouranton et Bruno Arnaldi
p. 16-22

Texte intégral

Introduction

1Les technologies d’imagerie médicale sont de plus en plus utilisées dans le domaine de l’archéologie car elles permettent un accès non destructif à la structure interne d’artefacts souvent fragiles. Toutefois et la plupart du temps, cette utilisation reste limitée à une simple visualisation et porte généralement sur des pièces exceptionnelles (momies, artefacts de grande valeur). Les données obtenues par les technologies d’imagerie par résonance magnétique (IRM) ou de tomodensitométrie sont constituées d’éléments d’information retranscrits de manière visuelle, mais dont la richesse intrinsèque pourrait être exploitée de manière plus large grâce à des technologies issues des dernières recherches en 3D, telles que la réalité virtuelle, la réalité augmentée, les interactions multimodales et la fabrication additive.

2En combinant différents types de technologies d’acquisition numérique issues de l’imagerie médicale, il est en effet possible d’identifier et d’analyser scientifiquement, par des méthodes non destructives et efficientes, des objets archéologiques non visibles (par exemple un amas cinéraire dans une urne), d’évaluer la fragilité, l’état de conservation et la possibilité de restauration d’un artefact archéologique corrodé, de visualiser, analyser et manipuler physiquement des objets inaccessibles et/ou fragiles (CT, impression 3D), et ainsi de révéler notre patrimoine culturel caché et de l’observer dans son contexte (réalité virtuelle, augmentée ou mixte, 3D).

3Le développement de ces technologies permet aujourd’hui d’envisager une démocratisation des procédés, tout parti-culièrement dans le domaine de l’archéologie préventive où les perspectives ne se limitent pas uniquement à la valorisation.

Technologies mises en œuvre

La tomodensitométrie

4La tomodensitométrie est le nom scientifique de la scanographie par rayons X. Son but est de permettre l’acquisition axiale d’un objet et de le soustraire à la problématique de superposition de ses éléments internes, qui peuvent provoquer des occlusions et donc des pertes d’information. Cette acquisition fournit des images en coupe d’un objet à trois dimensions dont le cumul est utilisé par un logiciel dédié pour générer une reconstruction 3D. Grâce à l'enregistrement systématique des densités des matériaux qui composent les objets archéologiques, la tomodensitométrie permet leur renconstruction en 3D. Cette méthode analyse la matière au cœur de l’objet sans l’altérer et fournit des paramètres qualitatifs et quantitatifs sur les matériaux utilisés afin d’en définir et d’en comprendre les structures internes, le mode de fabrication et l’état de conservation. La qualité et la pertinence des images obtenues dépendent de plusieurs paramètres techniques qui vont influer sur l’émission des rayons X, sur les informations mesurées dans le signal reçu et sur la transformation de ce signal en images. Ces paramètres doivent être adaptés en fonction de la nature de l’objet scanographié, de sa taille et de ses composants.

5L’utilisation de la tomodensitométrie pour analyser des mobiliers archéologiques reste actuellement limitée. Les exemples de son application au patrimoine culturel portent essentiellement sur des momies et des squelettes humains ou animaux (Houle-Wierzbicki et al., 2015 ; Xiujie et al. 2009 ; Ikram et al. 2015), ou sur des objets exceptionnels (Mödlinger 2008 ; Hassmann et al. 2012) ; peu de travaux examinent les autres types de mobilier (Huisman et al. 2014 ; Lee et al. 2008 ; Treyvaud 2010 ; Treyvaud et al. 2013). Ces dernières années, l’usage de cette technologie s’est néanmoins développé dans le domaine d’étude des incinérations (Anderson & Fell 1995 ; Harvig et al. 2012 ; Harvig & Lynnerup 2013 ; Le Puil-Texier et al. 2015 ; Minozzi et al. 2010) et lors de découvertes d’ensembles particulièrement complexes nécessitant des prélèvements en « bloc », souvent en lien avec des opérations de conservation ou de fouilles complexes (Stelzner et al. 2010 ; Re et al. 2015). Le plus souvent, les outils associés à la tomo-densitométrie sont utilisés uniquement pour créer des rendus graphiques 2D. Ces outils ne sont pas intégrés aux processus d’étude et d’analyse des objets archéologiques.

6Dans la démarche de reconstitution des chaînes opératoires de fabrication de la poterie, la lecture et l’identification des traces jouent un rôle important. En ce qui concerne la céramique, plusieurs applications ont développé une approche des techniques de façonnage ou des dégraissants grâce à la tomographie (Bouzakis et al. 2011 ; Kahl & Ramminger 2012). Les applications de la photogrammétrie ou d’une acquisition par lasergrammétrie y sont en revanche plus rares (Barreau et al. 2014 ; Mara & Sablatnig 2008). Ces expérimentations ont montré la pertinence et l’efficacité de la numérisation pour mettre en évidence des structures liées à la topographie de surface ou dans l’épaisseur des parois des vases ; néanmoins, elles restent sous-exploitées.

7On remarque surtout un fort intérêt des géologues et des sédimentologues pour la tomodensitométrie (Denison et al. 1997 ; Hu et al. 2006 ; Ketcham et al. 2005). Certaines publications ont notamment facilité le développement de son application en archéologie (Boest et al. 1994 ; Kak & Slaney 1999 ; Ketcham & Carlson 2001), permettant ainsi la caractérisation des matériaux et des modes de fabrication des objets (Treyvaud et al. 2013 ; Treyvaud 2010 ; 2015). Tous ces travaux exploitent les images acquises dans leur format de base, sans les combiner avec d’autres technologies. D’autres travaux récents illustrent des possibilités de ponts entre l’imagerie médicale et les technologies 3D telles que la photogrammétrie, la réalité virtuelle ou augmentée, ou l’impression 3D qui sont fréquemment utilisées en archéologie et dans le domaine du patrimoine culturel (Hassmann et al. 2012 ; Nicolas et al. 2014 ; 2015). Enfin, nos interprétations reposent sur des recherches en archéométrie effectuées par une nouvelle génération de chercheurs ayant grandi avec les nouvelles technologies (Bonneau et al. 2014 ; Querrec et al. 2013 ; Moreau et al. 2009).

L’impression 3D

8L’impression 3D est une technologie qui permet, à l’aide d’une machine appelée imprimante 3D, de fabriquer un objet physique à partir d’un modèle numérique. Cette technologie en rupture avec les techniques traditionnelles de fabrication est née dans l’industrie. Au début des années 1980, des ingénieurs français et américains expérimentent la fabrication par addition de couches successives de matière. En 1984, une demande de brevet portant sur une machine destinée au prototypage rapide et fonctionnant selon un procédé nommé stéréolithographie apparatus (SLA) est déposée mais on ne parle pas encore d’impression 3D. En 1986, cette imprimante d’un genre nouveau est commercialisée après la mise au point du STL (Standard Tessellation Language), un format de fichier numérique devenu la référence pour l’impression 3D. L’expression « impression 3D » apparaît pour la première fois en 1996. Elle recouvre différentes techniques de fabrication additive qui se distinguent les unes des autres par la technologie mise en œuvre : le dépôt de filament, le liage de poudre, le frittage /fusion laser de poudre, la stéréolithographie, le digital light processing, la projection de matière.

9Ces technologies encore jeunes ont pour vocation l’accélération de l’innovation et de la production de pièces complexes ou personnalisées, l’optimisation topologique, la réduction du poids des pièces et de leurs coûts. Elles sont en constante évolution (impression transparente, bio-printing) et voient une extension permanente de leurs champs d’application (médical, aéronautique, alimentaire…).

10L’impression 3D présente de nombreuses contraintes liées à sa complexité d’utilisation, son coût et la performance des imprimantes (volume, qualité de l’impression). Son utilisation en archéologie est assez récente et tend à se développer dans le domaine du patrimoine (Neumüeller et al. 2014 ; Scopigno et al. 2015). Si l’on exclut le monde industriel, la paléontologie a été pionnière en percevant tout le potentiel de modélisation des fossiles, facilitant les comparaisons morphologiques entre les différents taxons mais aussi l’interaction scientifique grâce à l’accès partagé aux données numériques (D’Urso et al. 2000 ; Bristowe et al. 2004 ; Mitsopoulou et al. 2015). Par la suite, le milieu des restaurateurs-conservateurs a trouvé dans cette technologie la possibilité de restaurer ou de copier un objet de manière plus efficiente (Arbace et al. 2013 ; Laycock et al. 2013). Dans le cas d’instruments de musique anciens, la copie par impression 3D peut notamment donner des résultats intéressants par rapport à des techniques de copie artisanale (Safa et al., à paraître). L’usage de l’impression 3D comme outil de recherche est à ce jour limité en raison de son coût élevé, mais les travaux récents ouvrent des perspectives sur les possibilités de ponts entre l’imagerie médicale et les technologies 3D (Biron et al. 2014), et également sur l’impression 3D considérée non plus comme un « produit fini » mais comme un outil ou support de recherche (Hassmann et al. 2012 ; Nicolas et al. 2014 ; 2015). Le champ des possibilités s’étend avec la mise en œuvre d’impressions 3D de nouvelles générations et avec de nouvelles approches empruntées au domaine médical, qui offrent la possibilité d’impressions complexes (Bernhard et al. 2016 ; Nicolas et al. 2016).

La réalité virtuelle

  • 1 Cette plate-forme de grande taille de l’Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoire (...)
  • 2 Le Centre Interdisciplinaire de réalité virtuelle (Cireve) est un plateau technique de l’Université (...)
  • 3 Le Centre de réalité virtuelle de la Méditerranée (Crvm), rattaché à l’Institut des sciences du mou (...)

11Une application de réalité virtuelle est constituée de trois éléments fondamentaux (Arnaldi et al. 2003) : le ou les utilisateurs, les dispositifs d’interaction et le traitement des modèles de simulation (gestion de la scène virtuelle). Ces trois éléments s’enchaînent dans une boucle temporelle d’exécution refermée par l’utilisateur. Le positionnement de celui-ci au centre de cette boucle est fondamental en réalité virtuelle. Il perçoit l’univers simulé à travers ses sens qui sont stimulés par les données numériques à travers les différents périphériques d’interaction (Bowman et al. 2004). De plus, il interagit avec ses capacités motrices ; il peut être placé dans certaines situations pour réaliser des activités spécifiques allant des déplacements dans des environnements particuliers jusqu’à des interactions plus complexes avec la simulation, à l’aide de dispositifs haptiques. Ainsi, l’archéologue peut à la fois percevoir la reconstitution d’un environnement pour évaluer sa cohérence symbolique ou culturelle et interagir avec la simulation pour évaluer sa cohérence physique ou fonctionnelle. Les périphériques et dispositifs d’interaction peuvent être très variés. Actuellement, les casques de réalité virtuelle sont en plein essor, avec la mise sur le marché de plusieurs casques grand public de bonne qualité. Les salles de réalité virtuelle immersive sont également de plus en plus accessibles, avec notamment, en France, la présence de plusieurs plateformes ouvertes à la recherche pluridisciplinaire (Immersia1, Cireve2, Crvm3, etc.). D’autres équipements intermédiaires peuvent fournir des supports intéressants dans le domaine de l’archéologie.

12L’archéologie virtuelle, introduite par Paul Reilly en 1990, devait à l’origine servir à l’enregistrement de fouilles ainsi qu’au (re)jeu virtuel de ces fouilles à l’aide de technologies multimédias (Reilly 1990). De manière similaire, Louise Krasniewicz a proposé une infrastructure de visualisation à 360° pour aider les archéologues dans leur recherche (Krasniewicz 2001). Dans ce cas, l’archéologie virtuelle n’était pas utilisée pour conserver une connaissance mais pour en acquérir une nouvelle. Plus récemment, Laia Pujol-Tost et Magdalena Sureda-Jubrany ont illustré l’intérêt de l’inter-action, de la perception et de la simulation en réalité virtuelle pour l’archéologie (Pujol-Tost & Sureda-Jubrany 2008). Robert Vergnieux a montré l’avantage de la simulation pour la validation de gestes, de mouvements, de cohérence physique et de faisabilité technique des constructions (Vergnieux 2011). Suivant ces nouvelles tendances, Maurizio Forte a suggéré de remplacer le terme d’« archéologie virtuelle », correspondant à une « reconstruction du passé », par l’expression « cyber-archéologie », correspondant à une « simulation du passé » (Forte 2011). Plus récemment, des techniques de simulation immersive et d’interactions en réalité virtuelle appliquées à un navire de la compagnie des Indes et à la plantation sucrière ont montré les capacités de ces technologies à offrir une perception de l’environnement naturel et fonctionnel d’une reconstitution (Barreau et al. 2015 ; 2016). La complexité de ces structures reconstituées, en termes de volumes, de paysages, d’environnements sonores, etc., implique une bonne appréhension à la fois des problématiques archéologiques mises en œuvre et des possibilités et contraintes de la réalité virtuelle pour y répondre. Combinée à l’impression 3D, la réalité virtuelle permet de recontextualiser les objets et de mieux comprendre leur fonctionnement grâce à une manipulation tangible dans un environnement virtuel (Nicolas et al. 2015).

Présentation de la méthodologie

13Les recherches menées en partenariat entre l’Institut national de recherches archéologiques préventives (Inrap), l’Université de Rennes 1, l’Institut national de recherches en informatique et en automatique (Inria), le Cnrs et l’Institut national des sciences appliquées (Insa) de Rennes sont basées sur des technologies d’imagerie avancées (tomodensitométrie) et des restitutions 3D interactives, physiques et virtuelles (réalité virtuelle, augmentée, mixte, impressions 3D et interactions tangibles). Elles permettent aujourd’hui d’affiner la lecture d’artefacts complexes, composites et/ou altérés. Nous illustrerons en quoi ces technologies s’avèrent des outils intéressants dans la prise de décision en matière de préservation d’objets sensibles (Biron et al. 2015), pour l’identification des techniques et/ou technologiques d’assemblages (Nicolas et al. 2014 ; 2015), la caractérisation fonctionnelle d’artefacts ou d’objets cachés.

14Les méthodes d’introspection numérique interactive, qui combinent la tomodensitométrie avec des technologies de visualisation 3D comme la réalité virtuelle, les interactions tangibles et l’impression 3D, permettent une caractérisation des matériaux et une cartographie complète non destructrice du mobilier archéologique (fig. 1).

Fig. 1 – Vue générale du processus d’introspection numérique interactive en contexte archéologique.

Cas d’utilisation

15La méthodologie présentée dans cet article a été utilisée dans différents cas d’étude qui nous ont permis d’en illustrer et d’en démontrer l’intérêt selon deux principaux usages : la visualisation et la manipulation.

16La tomographie combinée aux différentes modalités 3D permet de visualiser l’intérieur des artefacts et objets et d’accéder à différents éléments intriqués. Le rendu volumique obtenu par reconstruction 3D de la tomographie permet d’associer des colorations et des niveaux de transparence aux différentes valeurs de densité, donnant ainsi un premier niveau de visualisation spatialisé sur écran. En y associant la fonctionnalité de segmentation, il devient possible de se concentrer sur certaines parties spécifiques de l’objet à étudier et d’en extraire un élément. La génération d’un maillage 3D à partir des informations de densité autorise la production de copies physiques soit d’éléments particuliers, soit de l’objet étudié dans son intégralité. L’étude de l’urne de Guipry, présentée dans la figure 2, est caractéristique de cet usage (Nicolas et al., à paraître). Grâce à la tomographie, son contenu a pu être visualisé très rapidement et ses différents composants (des fragments d’os et deux objets en métal) ont été identifiés. Une segmentation de la fibule a permis d’obtenir une impression 3D de l’objet bien avant son extraction physique. Une impression complète de l’urne en transparence permet de conserver une représentation tangible de l’organisation spatiale interne de l’urne après sa destruction.

Fig. 2 – Rendu volumique de l’urne de Guipry, impression 3D de l’urne et de la fibule (© Inrap /Irisa / Image ET).

17L’impression 3D produit une représentation tangible de l’objet qui peut être manipulée sans risque de dommage pour l’original. Nous avons illustré l’intérêt de cette technique par une copie démontable d’un poids gaulois qui a permis de mieux comprendre sa technique de fabrication (Nicolas et al. 2014), par des copies à différentes échelles d’objets trop petits pour être manipulés, ou encore par des copies d’objets dont il ne restait qu’une empreinte fragile (Nicolas et al. 2015) (fig. 3).

Fig. 3 – Impression 3D d’un poids démontable, de vertèbres et d’une statuette de centaure à différentes échelles (© Inrap / Irisa).

18Combinée à la réalité virtuelle, la copie d’un objet peut servir d’interface aidant à mieux comprendre le contexte d’utilisation de l’original. Nous avons ainsi proposé une reconstitution d’une balance romaine avec manipulation interactive du poids, présentée dans le cadre d’une action de médiation scientifique (fig. 4).

Fig. 4 – Une balance de la période gallo-romaine utilisée dans son contexte historique grâce à la réalité virtuelle immersive (© Inrap / Irisa / CReAAH).

Discussion

19Ces outils offrent à l’archéologue de nombreux avantages. Ils lui permettent, par une méthode non destructive, d’exploiter scientifiquement des objets fragiles et/ou non visibles avant une intervention préventive préalable (conglomérat d’objets, objet oxydé) ou une fouille (amas cinéraire dans une urne), en visualisant un modèle numérique ou bien en travaillant sur le fac-similé réalisé à partir d’une impression 3D plutôt qu’en manipulant l’objet original.

20Ils rendent possible la visualisation, l’analyse et la manipulation d’objets archéologiques sous forme de modèles numériques en coupe ou en trois dimensions, avec possibilité de prise de mesures. La mise en œuvre d’un modèle 3D permet un archivage numérique pérenne de l’objet, et ce quelles que soient les interventions ultérieures (fouille dans le cas d’un contenant ou d’un conglomérat), pouvant être visualisé et analysé à distance par plusieurs opérateurs.

21La tomodensitométrie aide à déterminer la densité du ou des matériaux, à évaluer la fragilité ou l’état de conservation des objets archéologiques et à orienter les choix de traitements.

22Malgré la démocratisation de ces outils et leur développement rapide, il subsiste toutefois des problèmes d’accessibilité à l’appareillage et des contraintes techniques et technologiques. Concernant l’acquisition via un scanographe, la matière ou la géométrie de l’objet peuvent engendrer des artefacts qui nuisent, voire qui empêchent une lecture correcte. Notre expérience montre également toute l’importance de la capacité de réglage des constantes du scanographe, que seul du matériel à dévolution industrielle permet. Le second paramètre clé est la capacité de l’opérateur à faire de la reconstruction 3D, afin d’obtenir des images optimales. La tomodensitométrie offre une précision limitée aux caractéristiques physiques du capteur ; pour pallier à cet inconvénient, il est possible de faire appel à la micro-tomodensitométrie qui augmente la précision d’analyse. Toutefois, si la tomodensitométrie permet d’acquérir des images sur des objets de grande taille, ce n’est pas le cas de la micro-tomodensitométrie, qui est réservée à des éléments de petites dimensions. Concernant l’impression 3D, les limitations sont plutôt d’ordre technologique : précision de l’impression elle-même, taille de l’objet fini, mais également contraintes sur le modèle 3D qui sert à faire l’impression et qui nécessite de fortes compétences techniques. L’usage de la réalité virtuelle est également limité par ces trois paramètres de l’accès à la technologie, des compétences requises et des limitations de l’appareillage. Se pose enfin la question de la position spécifique de l’archéologue qui emploie ces nouveaux outils, et de la manière dont ils modifient sa perception du mobilier et de son contexte.

Conclusion

23Le processus mis en œuvre ici interagit sur des objets volumiques/surfaciques multi-échelles, tout en étant non destructif. Il permet d’analyser des artefacts non visibles, de visualiser et de manipuler des artefacts inaccessibles, de sauvegarder virtuellement un artefact avant toute intervention et d’y accéder à distance. Ces médias sont un support et un soutien aux opérations de fouille (incinérations) ou de restauration (état des matériaux), en remettant dans leur contexte des artefacts et des interactions. Ces technologies ouvrent donc de nouvelles perspectives de recherches et de méthodologie. Mais, issues d’un milieu médical ou industriel, elles restent toutefois à adapter à des usages spécifiquement archéologiques. Quoi qu’il en soit, ces outils 3D sont porteurs d’un changement de paradigme pour l’archéologue et auront sans aucun doute un impact sur sa manière de percevoir le mobilier et son environnement.

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— À paraître. « Internal 3D Printing of Intricate Structures », in : Proceedings of EUROMED 2016 International Conference on Cultural Heritage, Lecture Notes in Computer Science, Limassol, Cyprus.

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Notes

1 Cette plate-forme de grande taille de l’Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Irisa) et du Centre Inria-Rennes Bretagne Atlantique offre aux chercheurs de toutes disciplines de nouvelles possibilités pour leurs recherches en termes de qualité immersive et d’interaction multimodale (Gaugne et al. 2014).

2 Le Centre Interdisciplinaire de réalité virtuelle (Cireve) est un plateau technique de l’Université de Caen Normandie créé en mars 2006 et rattaché depuis le 1er janvier 2012 à l’Unité de formation et de recherche (Ufr) « Humanités et sciences sociales ».

3 Le Centre de réalité virtuelle de la Méditerranée (Crvm), rattaché à l’Institut des sciences du mouvement (Cnrs et Université Aix-Marseille) est une plateforme technologique dédiée à l’étude du comportement humain en situation immersive.

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Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Vue générale du processus d’introspection numérique interactive en contexte archéologique.
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3823/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 136k
Légende Fig. 2 – Rendu volumique de l’urne de Guipry, impression 3D de l’urne et de la fibule (© Inrap /Irisa / Image ET).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3823/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 152k
Légende Fig. 3 – Impression 3D d’un poids démontable, de vertèbres et d’une statuette de centaure à différentes échelles (© Inrap / Irisa).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3823/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 108k
Légende Fig. 4 – Une balance de la période gallo-romaine utilisée dans son contexte historique grâce à la réalité virtuelle immersive (© Inrap / Irisa / CReAAH).
URL http://journals.openedition.org/nda/docannexe/image/3823/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 133k
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Pour citer cet article

Référence papier

Théophane Nicolas, Ronan Gaugne, Cédric Tavernier et Valérie Gouranton et Bruno Arnaldi, « La tomographie, l’impression 3D et la réalité virtuelle au service de l’archéologie », Les nouvelles de l'archéologie, 146 | 2016, 16-22.

Référence électronique

Théophane Nicolas, Ronan Gaugne, Cédric Tavernier et Valérie Gouranton et Bruno Arnaldi, « La tomographie, l’impression 3D et la réalité virtuelle au service de l’archéologie », Les nouvelles de l'archéologie [En ligne], 146 | 2016, mis en ligne le 30 janvier 2018, consulté le 25 avril 2018. URL : http://journals.openedition.org/nda/3823 ; DOI : 10.4000/nda.3823

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Auteurs

Théophane Nicolas

Inrap (Institut national de recherches archéologiques préventives) – Umr 8215 Trajectoires, De la sédentarisation à l’État, Maison Archéologie & Ethnologie René‑Ginouvès, Nanterre

Ronan Gaugne

Université de Rennes 1 / Irisa – Inria Rennes Bretagne Atlantique (Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires – Institut national de recherches en informatique et en automatique)

Articles du même auteur

Cédric Tavernier

Image ET, Mordelles, www.image-et.fr

Valérie Gouranton et Bruno Arnaldi

Insa (Institut national des sciences appliquées) de Rennes / Irisa – Inria Rennes Bretagne Atlantique

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Droits d’auteur

© FMSH

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