Projet Pilote 3D – Expériences Complémentaires Physiques et Virtuelles avec des Objets en 3D

Leçons Apprises du Projet

le Musée Mccord


Table des matières

  1. Contexte
  2. Objectifs
  3. Procédés de Numérisation
    1. Aperçu des procédés
      1. Photographies assemblées par QuickTime Virtual Reality
      2. Balayage laser de la forme de l'objet par la technologie Handyscan (Créaform)
      3. Balayage laser de la forme et de la couleur
      4. Modélisation par recréation virtuelle de l'objet
    2. Choix des procédés et des artefacts à numériser
      1. Numérisation par balayage laser
      2. Modélisation ou recréation virtuelle de l'objet
      3. Constats
  4. Convivialité et avantages pour les visiteurs
    1. Borne interactive
    2. Site Web
  5. Conclusion
  6. Annexe I - Rapport sur la numérisation 3D par le musée canadien de la nature
  7. Annexe II - Rapport sur la modélisation par Phillip W. Greene

1. Contexte

Situé à Montréal, le Musée McCord d’histoire canadienne est un musée de recherche, à vocation éducative, qui préserve plus de 1 375 000 objets, images et manuscrits, témoins irremplaçables de l'histoire sociale et de la culture matérielle de Montréal, du Québec et du Canada. Note en bas de page 1 Chef de file en matière de diffusion des collections numérisées, il a réalisé, en 2008-2009 un projet pilote conjoint avec le Réseau canadien d’information sur le patrimoine, lié aux expériences complémentaires, physiques et virtuelles avec des objets 3D. Ce pilote comprend une borne interactive hébergée au Musée McCord et une composante Web 3D, qui sera disponible en 2009 à partir de la nouvelle section Laboratoire MVC, du Musée virtuel du Canada. Le Musée McCord a participé à ce projet afin d’expérimenter le partage de contenu numérique 3D à des fins de diffusion publique.

Après un bref rappel les objectifs de ce pilote, nous présentons les leçons apprises à l’égard des procédés de numérisation, et de la convivialité et des avantages liés au visionnement d’objets 3D dans la borne interactive installée au McCord et dans le site Web du projet.

2. Objectifs

Les fins de diffusion publique sont importantes à considérer, car elles supposent que l’utilisation des fichiers numérisés sert d’abord et avant tout à la découverte de reproduction virtuelle de l’objet, par les publics, dans différents contextes. Si les fichiers produits pourraient également servir à des fins de recherche sur les collections, il ne s’agit pas là de l’objectif premier qui leur est assigné. La qualité visée pour la préparation des fichiers lors de tout processus de numérisation dépend donc de l’usage qui est souhaité. Note en bas de page 2

Le projet pilote visait donc à expérimenter et à documenter une pratique relativement nouvelle pour les musées, à savoir le visionnement d’artefacts en trois dimensions, à des fins de diffusion.

Incidemment, le projet a permis d’explorer des enjeux techniques liés à la numérisation. En plus de tenter de voir comment les technologies de numérisation peuvent s’appliquer aux objets des collections muséales, à prime abord, ce projet a offert l’occasion d’expérimenter la numérisation d’objets des collections d’ethnologie et archéologie, et d’arts décoratifs.

À noter enfin, sur la borne, que nous désirions permettre l’exploration des modèles 3D de diverses façons :

  • en temps réel, en faisant pivoter l'objet comme il le désire, peu importe l'axe; (en termes techniques, il s'agit d'une rotation sur les trois axes, x, y, et z);
  • par zooms prédéfinis sur des parties ciblées de l'artefact;
  • par diverses animations produites à partir des fichiers.

3. Procédés de numérisation

Aux fins du projet, nous avons recensé quatre procédés possiblement pour la numérisation que nous présentons brièvement.

3.1 Aperçu des procédés

3.1.1 Photographies assemblées par QuickTime Virtual Reality

Le procédé de numérisation aux fins de la présentation d’artefacts 3D avec le plugiciel Quicktime VR d’Apple consiste à prendre 64 photographies d’un même objet, en observant une rotation de 360 degrés sur un axe. Les images sont ensuite assemblées de façon à permettre le visionnement de l’objet en une séquence animée, produisant l’effet de mouvement recherché. Il permet la rotation d’un objet uniquement sur un axe.

Ce procédé a été éliminé d’emblée puisqu’il n’apportait aucune innovation véritable et ne permettait pas au Musée McCord d’inscrire son projet dans un cadre d’expérimentation et de perfectionnement d’expertise liée à la numérisation en trois dimensions. Le Musée l’avait d’ailleurs déjà utilisé pour la présentation d’objets en trois dimensions, dans l’exposition virtuelle Deux quotidiens se rencontrent. Note en bas de page 3

3.1.2 Balayage laser de la forme de l’objet par la technologie Handyscan (Créaform)

Mis au point par la compagnie Créaform, de Québec et issu de travaux de recherche-développement menés au Conseil national de recherches du Canada, le numérisateur portatif Handyscan capture la forme de l’objet par balayage au laser. La couleur (ou texture) doit ensuite être appliquée manuellement, sur la forme balayée.

  • La dimension minimale de l’objet est d’environ 5 centimètres, et maximale d’environ 8 mètres.
  • Des objets très brillants (réflectifs) doivent être « ternis ». Un talc en aérosol est parfois nécessaire mais si la précision n’est pas la première préoccupation, on peut souvent vivre sans poudre.
  • La transparence demande une préparation de surface (application d’un ternisseur, soit un talc en aérosol par exemple). Les rayons lumineux des balayeurs doivent se réfléchir sur les surfaces extérieures de l’objet pour donner une image précise.
  • Des objets mous tels que des mocassins, ou une selle de cheval, peuvent être numérisés, mais des dispositions nécessaires à chaque balayage doivent être prises afin de ne pas changer la forme outre mesure durant le balayage.
  • On peut aussi balayer en sections et assembler le tout en post-traitement. Créaform a déjà balayé des arbres, des humains aussi, cheveux et vêtements inclus.
  • Le laser (de classe 2) ne peut endommager les surfaces, ni en raison de fréquence ni de sa puissance. Il n’est pas dommageable pour les yeux en vue directe.
  • Le fichier obtenu dépend des besoins du projet. Il est possible de produire un fichier VRML (fichier de balayage brut avec minimum de post-traitement) sur lequel les textures peuvent être apposées ensuite ou encore un fichier surfacique 3D (type stp ou igs). Il y a aussi d’autres types disponibles.

Ce type de technologie est utilisé dans l’industrie aérospatiale, notamment.

Une démonstration du Handyscan a été effectuée par la compagnie Créaform en . Parce que la couleur est appliquée à posteriori, en post-production, il ne permet pas la fidélité à l’objet que nous recherchions à cette étape du projet. Ses coûts non négligeables ont aussi contribué à nous faire abandonner cette avenue.

3.1.3 Balayage laser de la forme et de la couleur

Nous avons ensuite envisagé le procédé mis au point par la compagnie Arius, le Arius 3D Foundation Scanner Model 100, un équipement permettant de numériser des artefacts, forme et texture en une même opération, selon certaines contraintes spécifiques. Cette technologie est également issue de travaux de recherche-développement menés au Conseil national de recherches du Canada. En , il était question qu’Arius 3D devienne partenaire du projet, en prêtant un nouvel équipement dit portable (pouvant être installé dans un établissement muséal). Cela ne s’est finalement pas concrétisé.

En collaboration avec cette firme, nous avons tout de même procédé à une première analyse d’environ 200 objets de nos collections pouvant éventuellement représenter un intérêt pour le projet pilote. Note en bas de page 4 À la suite à cet exercice, il s’est avéré que de nombreux objets posaient problème pour la numérisation en 3D.

Rappelons d’abord en quoi consiste cette opération.

La numérisation d’un objet en trois dimensions par balayage d’un rayon laser se fait selon quelques principes de base décrits par la compagnie MCG3D.

« À partir d’une position donnée par rapport à l’objet à numériser, l’appareil envoie un faisceau laser de faible intensité sur une section de la surface de l’objet. Chaque point de la surface touchée par le faisceau laser est capté par une caméra intégrée au numériseur et les coordonnées X, Y, Z ainsi que l’intensité de chacun de ces points sont enregistrées dans la mémoire de l’ordinateur qui contrôle le numériseur. Cette opération est répétée des millions de fois à la seconde, ce qui génère un fichier très dense de points X, Y, Z de la surface à numériser. Ce fichier est affiché à l’écran de l’ordinateur et montre la forme tridimensionnelle de la surface numérisée.

Certains numériseurs permettent de capter et d’enregistrer la couleur soit, directement, par le procédé laser (dans ce cas les valeurs RVB (Rouge, Vert, Bleu) sont enregistrées en plus des valeurs X, Y, Z,) soit, indirectement, par procédé de photographie numérique captée lors de la numérisation et superposée dans une opération subséquente au modèle numérique 3D. Dans ce dernier cas, les conditions d’éclairage ambiant auront une influence sur la qualité des couleurs ». Note en bas de page 5

Ces fichiers produits (dits les « fichiers sources ») sont en fait des nuages de points de type .psi, du nom du logiciel PointStream Imaging, développé par Arius 3D. Ces fichiers sont lisibles à l’aide d’un plugiciel, le Viewer Image Suite, fourni par la compagnie.

Le logiciel 3D Image suite…

Les contraintes inhérentes à la technologie mise au point par Arius 3D se résument à :

  1. La dimension : L’artefact à numériser doit avoir une longueur et une largeur maximales de 64 cm et une hauteur maximale de 50.8 cm (qui correspond à l’espace disponible pour le balayage).
  2. La brillance de l’objet : Les surfaces ne doivent pas trop réfléchir la lumière ambiante.
  3. La transparence : Les surfaces doivent offrir une certaine « résistance » au rayon laser pour qu’il les perçoive.
  4. La noirceur : Les surfaces doivent réfléchir un minimum de lumière, celle du rayon laser, et ne pas absorber tout le rayon lumineux.
  5. La souplesse : En tenant compte de la durée du processus et du fait que l’objet doit être positionné sous différents angles, à chaque étape du processus de numérisation, un objet souple ou comportant des parties souples (tels que textiles, plumes, pendentifs, câbles ou autres) ne peut assurer un rendu uniforme.
  6. L’espace vide entre les parties d’un objet : À titre d’exemple, les perles de verre d’un collier.
  7. Et aux détails présents sur les surfaces : Si les détails sont trop petits, la numérisation ne peut offrir un rendu intéressant.

Une autre contrainte s’ajoute, relative cette fois à la complexité des formes. Un objet à la géométrie complexe nécessite de multiples balayages (sous différents angles) et un important travail de post-production (postérieur au balayage de l’objet), où l’on reconstitue le modèle par l’assemblage de différents fichiers sélectionnés parmi un grand éventail de possibilités. Cette situation s’avère à éviter.

Quelques solutions ont été proposées par la firme Arius 3D pour contourner les contraintes posées par certaines caractéristiques d’un objet, comme enduire ses surfaces d’une poudre opaque ou les vaporiser pour atténuer leur brillance. Ces solutions ont fait l’objet d’une discussion à l’interne et ont finalement été rejetées, afin de préserver l’intégrité des artefacts. Nous avons donc convenu d’éviter de choisir des objets qui pourraient être fragilisés par un enduit et/ou par le produit nettoyant nécessaire pour enlever l’enduit.

Ces contraintes ont réduit considérablement l’éventail des possibilités et mené à l’exclusion de tous les articles en textile pour ce projet pilote.

3.1.4 Modélisation par recréation virtuelle de l'objet

Un autre procédé de numérisation s’écarte de la saisie au laser, et consiste simplement en la recréation numérique de l’objet, grâce aux données acquises par l’observation de l’objet et la prise de photographies à haute-résolution, sous plusieurs angles. En utilisant un logiciel de conception de formes géométriques et en donnant aux surfaces les propriétés observées et documentées par les photographies, on parvient à obtenir une représentation 3D de l’objet. Le logiciel Photoshop permet de compléter le travail et de produire ensuite un modèle 3D, prêt à l’exportation dans Blend. Note en bas de page 6

3.2 Choix des procédés et des artefacts à numériser

Après examen des procédés disponibles, nous avons choisi d’expérimenter deux façons de faire pour 10 objets au total:

  • la numérisation par balayage au rayon laser avec un équipement de la technologie Arius 3D (pour neuf objets de notre collection);
  • et la modélisation par recréation virtuelle par un infographiste (pour un seul objet).

Dans la mesure du possible, nous avons choisi des objets visuellement intrigants afin d’attirer l’attention des visiteurs, petits et grands, et de susciter leur désir de les manipuler afin de mieux les observer. Note en bas de page 7 Certains objets comportent des inscriptions particulières rendant leur observation d’autant plus pertinente.

Balayage de la corne avec Arius 3D

3.2.1 Numérisation par balayage laser

Au total, nous avons numérisé par balayage laser neuf objets à l’aide d’un équipement mis au point par Arius 3D:

  1. Train jouet - Wagon Lionel (M992.110.90)
  2. Fusée jouet Apollo (EX2004-02.027-03)
  3. Corne à poudre (M6936)
  4. Buste de Samuel de Champlain par Alfred Laliberté (M992.139.2)
  5. Sextant (M2694.1-3)
  6. Défense gravée (MEL983.163.234.1-2)
  7. globe terrestre et boîte (M973.67.1.1-3)
  8. Tabatière (M15909)
  9. Modèle réduit de canot (M133)

On a appliqué une poudre favorisant l’opacité sur un seul objet présentant des parties transparentes, à savoir la fusée, faite de plastique, dont le train arrière et le nez sont translucides. Il s’agit du Calicum Carbonate, jugé inoffensif pour l’intégrité de l’objet et facile à retirer.

Sans qu’on ait apposé de produits sur les autres objets, la numérisation de plusieurs autres a néanmoins engendré des difficultés particulières, en raison de la brillance ou de l’aspect sombre des surfaces, ou des composantes particulières. En voici des exemples:

  • Pour la corne à poudre, dont l’embouchure était trop sombre, plusieurs balayages (160) ont été nécessaires pour arriver à produire une image de cette partie. En post-production, on a dû réduire le nombre de reflets présents dans les images générées par le balayage et ensuite estomper les différences en utilisant le « pinceau » disponible dans l’application.
  • Dans le cas du train fait de fer blanc, il reflétait parfois trop le laser ou parfois pas assez, selon différents angles dans lesquels il était positionné pour le balayage (156 prises au total). La post-production, comprenant aussi le nettoyage des fichiers (pour réduire les reflets lumineux) a nécessité 6 heures.
  • Fort complexe sur le plan géométrique, le sextant a nécessité plusieurs balayages successifs (207), ciblant des composantes particulières de l’objet. Les miroirs qu’il contient n’ont d’ailleurs pas pu être balayés. En post-production, le travail d’assemblage a été particulièrement long (7 heures).

En plus du balayage proprement dit, on s’aperçoit qu’un travail de post-production important doit donc être fait sur la texture de l’objet, afin de produire un modèle 3D le plus fidèle possible, estimé à environ 2 à 3 heures pour chaque objet. L’annexe I fournit un rapport complet sur la numérisation de ces objets par balayage au laser.

3.2.2 Modélisation ou recréation virtuelle de l’objet

Nous avons expérimenté la modélisation d’un objet, la maquette d’un bateau, compte tenu des difficultés qu’il posait par sa grandeur, sa fragilité, et les parties souples et amovibles qu’il comportait. La modélisation a été confiée à un designer graphique, Phillip William Greene, de Montréal. Le modèle a été ensuite intégré au logiciel Microsoft Expression Blend. Il s’agit de l’artefact suivant:

  1. Bateau miniature (goélette Gaspésia) - M979.80.3

3.2.3 Constats

À la suite de la numérisation des 10 objets et de leur intégration dans la borne interactive et dans le site Web du projet, nous avons posé les constats suivants.

Si certains modèles 3D sont plus réussis, notamment la corne à poudre (M6936), la défense gravée (MEL983.163.234.1-2), il s’avère que les artefacts présentant des surfaces trop réfléchissantes ou transparentes, notamment celui sur lequel on a dû appliquer un poudre pour obtenir l’opacité, paraissent moins fidèles à la réalité. À titre d’exemples:

  • les surfaces noires du train jouet en fer blanc (M992.110.90) apparaissent irréelles, d’une couleur trop uniforme;
  • quant à la fusée jouet, puisqu’on a appliqué une poudre pour réduire la transparence de son nez et de son train-arrière, le rendu n’est plus fidèle à la réalité.

Quant à l’objet modélisé, le bateau miniature Gaspésia (M979.80.3), bien que fort attrayant, son rendu laisse à désirer, car il s’avère difficile de deviner le matériau dont il est fait (le bois). Sa texture est d’apparence très, presque trop lisse et il manque de détails.

Enfin, sur la borne, les ombres reproduites sur les objets (définies lors de l’intégration à la borne) s’avèrent surprenant pour l’œil exercé, car lors du visionnement, les ombres tournent avec leur objet!

4. Convivialité et avantages pour les visiteurs

Réalisée auprès des visiteurs du Musée McCord durant le mois de , l’étude de la convivialité du visionnement 3D et des avantages de l’expérience, tant sur la borne que dans un site Web, a permis de poser de nombreux constats par rapport à l’appréciation et aux attentes suscitées par ces types d’interfaces. Cette étude a été réalisée par le Conseil national de recherches du Canada, en collaboration avec le McCord.

4.1 Borne interactive

Installée dans l’entrée du Musée, à proximité de la billetterie, à une cinquantaine de pas de l’entrée de l’exposition temporaire du rez-de-chaussée, nous avons noté que, selon les observations pratiquées durant des journées de semaine et de fins de semaine:

  • la borne attire et retient l’attention d’environ un visiteur sur quatre;
  • les enfants s’attardent plus longuement à interagir avec ses contenus que les adultes;
  • la technologie sans contact n’est pas spontanément comprise par la plupart des utilisateurs, qui la découvrent plutôt au fil des interactions répétées avec le système;
  • plusieurs visiteurs tentent parfois simultanément d’interagir avec le borne, alors qu’elle ne peut prendre en charge ces types d’interactions multiples;
  • l’éclairage ambiant doit être assez fort pour que les caméras détectent la présence d’une main de peau sombre;
  • et que le pied posé sur le bas de la borne, mais néanmoins visible par les caméras, active des choix.
Interaction avec la borne interactive au musée McCord

  • Pour éviter le problème des interactions simultanées (par différents visiteurs, souvent des enfants), un petit tabouret a été installé devant la borne, suggérant de la sorte aux petits qu’il faut y monter avant d’interagir avec l’écran.
  • Des entretiens ont été réalisés avec une quarantaine de visiteurs qui se sont attardés plus d’une minute à la borne, représentatifs de différents groupes d’âge présents au McCord. En ressortent les points suivants:
  • La borne s’avère un dispositif original, surprenant par rapport à la représentation traditionnelle d’un musée (« high tech »), attrayant particulièrement pour les jeunes publics et prometteur pour la présentation des collections. Nombreux sont les visiteurs à reconnaître son intérêt pour la visite muséale.
  • Sans être efficace à tous les coups pour la sélection des artefacts, la borne séduit quand même un bon nombre de visiteurs. Certains la trouvent même hygiénique! Selon l’un d’entre eux, la technologie sans contact se prête particulièrement bien à la manipulation virtuelle de l’objet, par le geste simulant l’évolution dans l’espace.
  • De l’avis de plusieurs visiteurs, le visionnement 3D favorise l’appropriation de l’objet, sous toutes ses facettes. L’expérience génère aussi un certain nombre d’attentes, notamment à l’égard de la performance de la manipulation, de la résolution des images, souhaitée encore meilleure pour certains objets (comme la corne), et du caractère réaliste des objets, que certains jugent trop artificiels.
  • Quant à l’expérience proposée, quelques visiteurs s’interrogent, avec le recul, sur son lien avec ce que le Musée présente, s’attendant à retrouver les objets dans les expositions.

En somme, les avantages engendrés par l’expérience se résument à la découverte d’une technologie surprenante et prometteuse, et aux possibilités d’interaction avec les objets et l’iconographie qui leur est associée. D’une certaine façon, la borne vole presque la vedette aux objets! Elle suscite aussi certaines attentes non comblées, certains désirant y trouver des objets aussi spectaculaires que la technologie ou poursuivre l’expérience en salle par l’observation des objets réels présentés dans la borne.

4.2 Site Web

Pour l’étude de la convivialité et des avantages liés au visionnement d’objets 3D dans le site Web pilote du projet Note en bas de page 8, partie gérée par le RCIP, nous avons sollicité l'opinion d'une quarantaine de visiteurs représentatifs des différents groupes d'âge du McCord, en leur demandant de consulter une page Web spécifique où était présentée une catégorie d'objets (air, terre ou mer) accessibles en 3D. Lorsque la connexion Internet était trop lente, leur attention était dirigée vers un objet 3D déjà affiché à l'écran.

Capture d'écran de la présentation des objets sur le site web du projet

  • Il s’avère que le site Web procure une expérience jugée amusante et intéressante par un grand nombre de visiteurs, qui suggèrent néanmoins certains ajustements à l’interface, pour accroître la convivialité du visionnement 3D.
  • Le visionnement 3D s’avère convivial pour la plupart des utilisateurs, mais pas nécessairement au premier essai. Certains adultes avouent que des enfants réussiraient mieux qu’eux à activer les fonctionnalités.
  • Les quelques enfants interviewés reconnaissent d’ailleurs qu’il est facile, jusqu’à un certain point, de visionner les objets.
  • Plusieurs visiteurs ont exprimé leur plaisir à toucher virtuellement l’objet et à observer ses détails.
  • Certains formulent des suggestions d’ajustements de l’interface de visionnement 3D, réclamant une meilleure signalisation du zoom ou un plus grand contrôle sur les actions posées.
  • Le plaisir de la découverte de la technologie compte beaucoup dans les avantages rapportés par les visiteurs.
  • Certains se montrent déçus du contenu et se questionnent quant au contexte de l’expérience.
  • Enfin, quelques visiteurs identifient des applications intéressantes pour des gens qui ne peuvent pas physiquement se déplacer au Musée ou pour des enfants, considérant l’importance du visuel dans l’apprentissage. Selon ces visiteurs, l’attention portée à un objet sera décuplée par le simple fait de pouvoir de jouer avec lui, en le visionnant sous plusieurs angles et en l’agrandissant.

Conclusion

Nombreuses sont les leçons apprises dans ce projet. Sur le strict plan de la numérisation par balayage laser, nous avons expérimenté avec les possibilités et les limites évidentes de ce procédé. Si la technologie mise au point par Arius 3D demeure novatrice, il n’en reste pas moins qu’elle a peu de souplesse. Son point fort est de balayer simultanément la forme et la couleur (ou la texture) de l’objet, mais les artefacts pouvant se prêter à l’opération demeurent peu nombreux. En outre, les coûts de l’opération s’avèrent élevés, allant de 500 $ à 2 500 $ par objet, selon les fournisseurs.

D’autres technologies émergentes pourraient cependant être considérées dans un avenir proche. À titre d’exemple, la compagnie Créaform, de Québec, propose depuis l’automne 2008 un nouveau numérisateur portatif qui balaye à la fois la forme et la couleur de l’objet, le VIU-SCAN. Note en bas de page 9

Du côté des publics, enfants et adultes, le visionnement d’objets 3D tranche nettement avec les modes de présentation traditionnels auxquels ils s’attendent (particulièrement les adultes) en visitant un musée d’histoire. La technologie suscite un engouement certain, encore plus grand chez les enfants, et occasionne un réel plaisir associé à la découverte d’un nouveau dispositif. Le fait de pouvoir manipuler l’objet sans le toucher, de l’agrandir, de pouvoir observer ses détails, séduit toutes les catégories de visiteurs! Le rapport kinesthésique et ludique à l’objet est accrocheur. La borne en particulier instaure un rapport presque « naturel » aux objets, permettant au réflexe de préhension de s’exercer. Toutefois, le lien entre ce que la borne interactive présente et ce que le Musée expose demeure le point d’ancrage important pour rendre plus signifiante l’expérience proposée.

En terminant, nous espérons que ces lignes s’avèreront utiles aux professionnels désireux d’explorer l’avenue numérique pour accroître l’accès aux collections muséales.

Annexe I - Rapport sur la numérisation 3D par le musée canadien de la nature

Lecteur laser Arius 3D

Le système laser caractérise chaque point de l’objet balayé en fonction de sa couleur et son emplacement dans l’espace tridimensionnel. Le lecteur balaie la surface de l’objet à l’aide d’un faisceau laser focalisé comportant trois différentes longueurs d’onde (rouge, verte et bleue) et il enregistre la lumière réfléchie à l’aide d’un « dispositif à transfert de charge ». Chaque point de l’objet est décrit par six (6) valeurs numériques, notamment les valeurs positionnelles X, Y et Z et les valeurs des couleurs de surface - rouge (R), verte (V) et bleue (B). La coordonnée en X de chaque point de l’objet est calculée à partir d’une mesure exacte de la position du miroir de balayage de la caméra. La coordonnée en Y est calculée à partir d’une mesure exacte du système de mouvement de la caméra. La coordonnée en Z (ou de portée) est calculée par triangulation laser à l’intérieur de la caméra. L’information sur la couleur de chaque point est simultanément recueillie en mesurant l’intensité des faisceaux laser réfléchis. Les mesures d’intensité de la couleur de surface de l’objet balayé sont exactes, car elles sont complètement indépendantes de la lumière ambiante. L’exposition lumineuse totale est environ 3,5 milliwatts, plus ou moins l’équivalent d’éclairer l’objet à l’aide d’une lampe de poche. En plus, la concentration de lumière sur la surface de l’objet est extrêmement faible, car la lumière laser est constamment en mouvement (elle se déplace sur la surface de l’objet à environ 300 mm/sec). Pour chaque lecture, le faisceau laser passe au-dessus de l’objet, une ligne de balayage à la fois. Le laser balaie à une résolution très précise de 100 microns, enregistrant parallèlement la forme et la couleur en 3D et ce, en très haute résolution et avec une précision parfaite.

Dans ce projet, chaque artefact a été balayé à l’aide de lectures progressives chevauchantes jusqu’à ce que toute la surface ait été couverte. La résolution de balayage de chaque artefact variait entre 100 et 300 µm, selon la taille de l’objet balayé. Les éléments plus gros, notamment le train jouet, la fusée jouet Apollo 11 et le sextant ont été balayés à une résolution de 300µm. La largeur de la surface efficace de balayage du lecteur (c.-à-d. le champ de vision) est environ 60 mm. Par conséquent, plusieurs lectures ont été effectuées sur les objets plus gros pour couvrir toute la surface de l’artefact et le balayage à une résolution de 300µm a offert un nuage de points plus gérable et un temps de lecture plus raisonnable.

Chaque balayage a été traité en format « nuage de points » à l’aide du progiciel Pointstream 3DImageSuite. Les lectures chevauchantes de l’objet ont été alignées dans Pointstream en utilisant les régions d’éléments géométriques communs. Après avoir complété le modèle de nuage de points, ce dernier a été converti, à l’aide du logiciel de surfaçage Paraform, en maillage triangulé composé de milliers de faces individuelles. L’information sur la couleur a été préservée et implantée dans les faces du maillage. En général, une forme comportant 500 000 points est convertie en 1 000 000 de polygones/faces. Pour ce projet, « PLY » a été le format produit de modèle de maillage en 3D. Ce format de modèle conserve l’information sur la couleur comme un modèle de couleur par point.

Artefacts

1. Défense gravée et base en pierre

Base en pierre
Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
2,1 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
31 Mo
Nombre de lectures :
22
Période de balayage :
1 heure
Période pour l’alignement de chaque balayage :
3 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
1 heure
Période totale pour compléter le modèle :
5 heures

Nota : La géométrie de la base en pierre a été facile à balayer. L’objet a été placé sur une table rotative et balayé à intervalles de 30 degrés. Chaque lecture des côtés a produit un éclairage saillant à chaque endroit particulier où l’angle de l’objet se trouvait directement devant le laser et la surface de l’objet était trop brillante. Cette situation est semblable à celle de la photographie traditionnelle à l’aide d’une caméra dans laquelle la lumière produit un éclairage saillant. Ces éclairages saillants ont été éliminés des lectures chevauchantes au fur et à mesure que l’objet a été tourné sur la table.

Défense gravée
Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
2,9 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
43 Mo
Nombre de lectures :
32
Période de balayage :
3 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
2 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
2 heures
Période totale pour compléter le modèle :
7 heures

Nota : La défense a été placée à un angle quelque peu incliné vers le haut pour gérer les éclairages saillants produits par la réflexion brillante de la surface. Par conséquent, la caméra s’est déplacée de bas en haut sur la défense et l’angle du laser reflétant sur la surface n’a eu aucune incidence d’éclairage saillant.

La défense a également été insérée dans la base en pierre, puis placée sur la table pour la balayer. Une lecture a été prise sur les deux artefacts regroupés pour capturer leur position. À partir de cette lecture unique, la base en pierre et la défense ont été alignées pour les fixer dans la position souhaitée.

2. Tabatière

Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
1,6 million
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
24,6 Mo
Nombre de lectures :
65
Période de balayage :
4 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
5 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
3 heures
Période totale pour compléter le modèle :
12 heures

Nota : La tabatière a été placée sur une table rotative en position fermée et balayée à intervalles d’environ 30 degrés. Dix (10) lectures ont été prises pour capturer la partie supérieure du globe. La tabatière a ensuite été tournée et 10 autres lectures ont été prises pour capturer la partie inférieure du globe. La tabatière a enfin été complètement ouverte – environ 100 degrés – et placée de nouveau sur la table rotative.

Les 45 dernières lectures ont été prises pour capturer la géométrie de la surface intérieure de la tabatière. Une des parties de la tabatière possède une lèvre en laiton saillante qui s’insère dans l’autre moitié de la tabatière. Cette lèvre en laiton a été difficile à balayer en raison du fini brillant et peu terni du laiton. Chaque lecture a produit un éclairage saillant et la courbature de la lèvre a fait en sorte que la caméra pouvait seulement capturer une petite portion. Par conséquent, plusieurs balayages ont été effectués en tournant la tabatière sur la table rotative à intervalles de 10 degrés pour capturer la lèvre. Chaque balayage supplémentaire a éliminé l’éclairage saillant de la lecture précédente.

Post-traitement

Nous n’avons pas été en mesure de balayer la section intérieure en porcelaine qui rencontre le joint en laiton dans une position d’encoche. Le laser ne pouvait pas accéder à cette encoche, car la caméra pouvait seulement capturer les portions frappées et réfléchies par le faisceau laser. Par conséquent, nous avons rempli le trou de cette section par géométrie de surface pour former un modèle solide fermé. La lèvre saillante a également été remplie pour nettoyer l’extrémité supérieure le long de la lèvre. Une charnière relie les deux moitiés du globe. Il a cependant été nécessaire de séparer les lectures et fermer la section à charnière pour produire un modèle complet et solide et ainsi faciliter, pour tout travail d’animation, la gestion distincte des deux pièces et le pivot sur ces deux pièces à charnière fermées.

L’ouverture de la tabatière a quelque peu déplacé les globes de l’anneau en laiton qui les maintient en place. Par conséquent, les lectures prises en position ouverte sont également quelque peu décentrées. Les deux pièces du globe ont été séparées de chaque lecture, puis alignées séparément l’une de l’autre pour créer un seul objet, nécessitant plusieurs heures supplémentaires de travail.

Les pièces ont ensuite été réalignées à partir d’une seule lecture prise en position ouverte et chaque pièce a été sauvegardée dans cette position. D’autres pièces ont été alignées à la lecture unique prise en position fermée et chaque pièce a été sauvegardée pour former cette position.

3. Globe-boîte

Couvercle supérieur du globe-boîte
Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
2,7 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
39,7 Mo
Nombre de lectures :
57
Période de balayage :
2,5 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
2 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
2 heures
Période totale pour compléter le modèle :
6,5 heures

Nota : Deux balayages ont été effectués directement du dessus de l’objet. Pour balayer les côtés, la boîte a été tournée sur une table rotative à intervalles de 30 degrés; elle a ensuite été inversée pour balayer la partie intérieure. La boîte a été quelque peu inclinée pour permettre à la caméra de capturer ses parois intérieures (la caméra ne pouvait pas directement balayer les parois intérieures en raison de l’angle de 90 degrés qui empêchait le laser de refléter quoi que ce soit). Cette position a permis à la caméra de prendre des lectures le long de la boîte et capturer la portion intérieure. Ce repositionnement a été effectué à 4 reprises pour balayer les parois intérieures de la boîte.

D’autres lectures ont été prises pour capturer la géométrie du bord afin d’aligner les parties intérieure et extérieure de la boîte. Le chevauchement entre ces deux sections est très faible et d’autres lectures ont été prises pour faciliter l’alignement.

Nous avons nettoyé et rempli les trous de la section du bord de la partie inférieure de la boîte.

Couvercle inférieur du globe-boîte
Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
2,2 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
32,5 Mo
Nombre de lectures :
41
Période de balayage :
1,5 heure
Période pour l’alignement de chaque balayage :
2 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
2 heures
Période totale pour compléter le modèle :
5,5 heures

Nota : Les détails du couvercle supérieur du globe-boîte s’appliquent également au couvercle inférieur. Il s’agit essentiellement du même objet et le processus de balayage a été identique. Deux lectures supplémentaires ont été prises après avoir inséré le globe dans le couvercle inférieur. Une lecture frontale a été prise, en plus d’une autre lecture à 30 degrés, pour balayer le globe et la boîte dans leur position réglée.

Globe
Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
1,1 million
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
16,2 Mo
Nombre de lectures :
18
Période de balayage :
2 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
3 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
2 heures
Période totale pour compléter le modèle :
7 heures

Nota : Le globe a été placé sur une table rotative et balayé à intervalles de 15 degrés pour assurer une pleine couverture et éliminer l’éclairage saillant présent sur chaque lecture. Neuf (9) lectures ont été prises dans cette position, puis le globe a été inversé pour prendre neuf (9) autres lectures de la partie inférieure.

L’alignement a demandé plus de temps, en raison du manque de détails géométriques des objets sphériques qui contribuent à l’alignement; les lectures ont semblé glisser le long de chaque balayage.

Un post-traitement supplémentaire a été nécessaire pour positionner les trois objets. Le globe a été aligné à l’aide des deux lectures prises sur le globe inséré dans le couvercle inférieur et sauvegardé dans cette position. Le couvercle inférieur a également été aligné en fonction de ces deux lectures pour fixer la position et la sauvegarder.

Le couvercle de la boîte a été enlevé et placé dans un espace 3D à l’aide des outils de déplacement d’objet du progiciel Pointstream. La boîte a été placée et alignée directement sur le couvercle inférieur.

4. Corne à poudre

Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
7,7 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
113,1 Mo
Nombre de lectures :
160
Période de balayage :
6,5 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
4 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
3 heures
Période totale pour compléter le modèle :
13,5 heures

Nota : La corne à poudre a été placée sur la table rotative et balayée de front, avant de la retourner d’environ 30 degrés à partir de la lecture initiale; cette rotation a été répétée jusqu’au point initial de la première lecture. Les lectures ont présenté quelques éclairages saillants, car le matériel de surface était plus ou moins mat.

Le nombre important de lectures est trompeur. Plusieurs balayages supplémentaires ont été effectués pour positionner l’objet. Par exemple, la partie supérieure de la corne à poudre (petite ouverture noire) a été balayée et une portion reconnaissable de la corne a été lue pour l’aligner.

La partie supérieure de la corne à poudre a été très difficile à balayer en raison de ses propriétés, notamment sa couleur très foncée et brillante, ainsi que sa forme courbée. Le faisceau laser ne reflétait pas très bien cette surface; en raison de la courbature, le faisceau laser a capturé peu de données de la surface décroissante. D’autres lectures de cette section supérieure ont été prises. Il a été impossible d’éliminer le nombre important d’éclairages saillants présents sur les balayages chevauchants. La correction des couleurs à l’aide de l’outil brosse a atténué les éclairages saillants.

5. Fusée jouet Apollo 11

Résolution de balayage :
300µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
950 000
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
14 Mo
Nombre de lectures :
122
Période de balayage :
4 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
3 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
3 heures
Période totale pour compléter le modèle :
10 heures

Nota : La fusée jouet Apollo 11 a été placée sur la table rotative et balayée à intervalles de 60 degrés pour éliminer tout éclairage saillant présent sur la surface de l’objet. L’artefact a ensuite été repositionné en le tournant à partir de la première lecture. Cette rotation a été répétée à intervalles de 30 degrés jusqu’au point initial de la première lecture.

D’autres lectures ont été prises pour la procédure d’alignement : balayer l’aile et d’autres sections de la fusée, notamment l’ensemble du pneu avant; identifier clairement la partie de la fusée à laquelle l’aile appartient. La fusée comporte trois ailes identiques et le modèle de la fusée est horizontalement uniforme tout autour de la fusée. Le nombre important de balayages reflète les lectures supplémentaires prises pour positionner l’objet; ces lectures supplémentaires ont ensuite été éliminées à titre de chevauchement inutile.

Deux pièces ont été effusées pour capturer la géométrie de surface. La pointe avant de la fusée et son brûleur sont recouverts d’un matériau réfléchissant qui permet à la lumière de les traverser, un peu comme un couvercle en plastique réfléchissant sur les feux de freinage d’un véhicule. Nous avons obtenu la permission d’effuser la surface de ces deux pièces à l’aide d’une très faible quantité de carbonate de calcium.

Nous avons rempli les trous des sections non capturées par la caméra. La caméra n’a pas été en mesure de capturer les autocollants apposés sur la fusée qui présentent un panneau à damier noir brillant. Ces carrés manquants ont été remplis et colorés en noir. Nous avons rempli certains trous des pneus et nous avons nettoyé les pourtours des ailes des lectures des parties supérieure et inférieure pour remplir les ailes.

6. Train jouet

Résolution de balayage :
300µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
2,3 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
32,6 Mo
Nombre de lectures :
156
Période de balayage :
6 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
3 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
3 heures
Période totale pour compléter le modèle :
12 heures

Nota : Le train jouet a été placé sur la table rotative et balayé à divers angles pour capturer la géométrie de la surface de l’objet. Les sections du train peintes en noir ont créé des problèmes de collecte de données de balayage. La nature réfléchissante du laiton a produit des balayages trop foncés ou trop brillants, selon l’angle de la caméra.

L’autocollant sous le train a été balayé à une résolution de 100 µm, au lieu de 300 µm, pour le rendre plus clair et lisible.

Une des roues a été balayée pour optimiser la capture des détails. Elle a ensuite été utilisée comme gabarit et alignée pour correspondre aux autres roues et assurer l’uniformité. Une pièce qui maintient les roues en place a également été utilisée comme gabarit pour les trois autres pièces semblables du train. Ces gabarits ont réduit le nombre de balayages et d’alignements, étant donné que ces pièces du train sont identiques.

7. Sextant

Résolution de balayage :
300µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
1,9 million
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
28,7 Mo
Nombre de lectures :
207
Période de balayage :
6 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
4 heures
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
3 heures
Période totale pour compléter le modèle :
13 heures

Nota : Le sextant a été placé sur la table rotative en position quelque peu inclinée pour balayer la géométrie de la surface de l’objet et réduire l’éclairage saillant de la surface en laiton. Plusieurs lectures ont été prises pour capturer toute la géométrie de la surface de l’objet. Le fini en laiton du sextant a nécessité des balayages supplémentaires. Le fini de l’objet a modifié la couleur et l’intensité des données balayées, selon l’angle de la caméra et la portion de la surface frappée par le faisceau laser.

Les boutons, les trois miroirs et le télescope ont été balayés de tous les angles possibles pour capturer la géométrie de la surface de l’objet. Nous avons balayé les boutons ronds dans plus de quatre directions. La complexité accrue de la forme de l’artefact a donc considérablement augmenté le nombre de lectures.

La section en laiton renfermant les numéros estampillés a également été balayée à une résolution de 100 µm pour en augmenter la résolution et la rendre plus claire. Les miroirs n’ont pas été balayés; nous avons plus tard créé des modèles ou nous les avons laissés vides.

8. Canot

Résolution de balayage :
100µm
Nombre total de points dans un modèle 3D :
2,4 millions
Taille du fichier (en format de modèle PSI) :
35,2 Mo
Nombre de lectures :
54
Période de balayage :
3 heures
Période pour l’alignement de chaque balayage :
1 heure
Période supplémentaire pour le post-traitement/nettoyage :
2 heures
Période totale pour compléter le modèle :
6 heures

Nota : La caméra laser a facilement balayé le matériau en cuir du canot. Quelques lectures supplémentaires ont été prises pour capturer les piquants latéraux du canot. Nous avons repositionné le canot pour assurer que les piquants soient plats par rapport à la position de la caméra et ainsi permettre la réflexion du faisceau laser tout en lisant les piquants. Nous avons effectué un post-traitement en remplissant certains petits trous entre chaque piquant. En plus, nous avons rempli les trous à chaque extrémité de l’intérieur du canot. La caméra n’a pas été en mesure de balayer ces deux sections trop étroites. À l’aide du progiciel Paraform, nous avons créé une surface à partir des données balayées pour fermer ces sections et compléter le canot.

Surfaçage

Le logiciel de surfaçage Paraform a produit un format de modèle « OBJ » avec carte de « texture » comportant des données sur la couleur. Ce modèle de maillage contient un modèle 3D sans données de couleur implantées dans les points; il est plutôt présenté comme une carte de texture en format d’image .tif ou .jpg qui contient la palette de couleurs. Habituellement, si une surface de nuage de points est convertie en maillage, le modèle de maillage comporte plusieurs polygones ou faces qui exigent une puissance et une mémoire de traitement plus importantes pour utiliser l’ensemble complet des données dans un logiciel d’animation/de création.

Pour ce projet, Solaris a déterminé que 150 000 polygones serait le nombre idéal pour le chargement dans le logiciel de création BLEND. Cet important nombre de polygones fait en sorte que le modèle 3D conserve un niveau élevé de détails de surface, sans utiliser toute la mémoire système de l’ordinateur au moment de charger tous les modèles 3D dans le logiciel Kiosk. Il s’agit d’un compromis entre les balayages à haute résolution qui ont généré les modèles 3D et les détails exacts dans la gamme de 2 à 10 millions de polygones. Le logiciel Kiosk n’est pas en mesure de charger et d’afficher ces modèles 3D en haute résolution pour visualisation. Par conséquent, le logiciel de surfaçage produit les modèles à polygones réduits pour utilisation dans les applications qui demandent des modèles comportant moins de polygones.

Le surfaçage d’un modèle 3D demande de dessiner une structure de gabarit sur le modèle 3D existant (voir l’illustration « Maillage créé à partir d’un nuage de points », et plus particulièrement la ligne jaune). Cette structure de gabarit dépose une légère surface polygonale sur le modèle 3D (voir l’illustration, et plus particulièrement les lignes vertes du maillage comprises dans les lignes jaunes). Le logiciel extrait les propriétés de surface, notamment les cartes en couleur, les cartes de bosses et les cartes de déplacement (voir l’illustration « Carte en couleur ») du modèle original.

La légère surface polygonale appliquée sur le modèle 3D original peut être ajustée en fonction du nombre de polygones à exporter pour un modèle plus réduit (voir l’illustration - les lignes vertes du maillage représentent les nouveaux polygones qui remplacent le modèle existant).

Détail d'un modèle 3D généré par Arius 3d
Lignes de maillage vertes des nouveaux polygones appliqué sur le modèle 3D d'origine. Une deuxième fenêtre montre les lignes de maillage vertes ajustées au nombre de polygones nécessaires pour exporter un plus petit modèle

Le surfaçage de chaque modèle a nécessité entre deux et trois heures de travail pour générer un modèle 3D avec carte de texture associée.

Cependant, le modèle 3D du sextant a demandé cinq (5) heures de plus pour le compléter, en partie en raison de la complexité du modèle. Les miroirs, le télescope et les boutons ont été séparés du modèle 3D et les trous du reste de la base du sextant ont été remplis et fermés à l’endroit où les pièces avaient été retirées. Enfin, chaque pièce a fait l’objet d’un surfaçage.

La même procédure a été utilisée pour générer les modèles Web. Les modèles 3D ont été réduits pour produire un modèle 3D comportant environ 10 000 polygones, c.-à-d. un très faible pourcentage de l’ensemble des données originales qui comportait des millions de polygones. Les modèles Web respectent la structure du gabarit, mais ils possèdent de plus grands triangles qui créent la superficie de l’objet. La carte de texture en couleur a été appliquée sur ces grands triangles pour compléter le modèle 3D. Cependant, beaucoup de détails de surface ont été perdus en raison du nombre important de polygones supprimés, mais la carte de texture en couleur compense pour cette différence.

Annexe II - Rapport sur la modélisation par Phillip W. Greene

Description du processus adopté par le Musée McCord pour la modélisation d'un navire

Phillip W. Greene

Grandes lignes du mandat

Le Musée McCord m’a demandé de créer le modèle 3D d’un de ses artefacts, plus particulièrement un navire fabriqué à la main qui devait être intégré et retourné en version Microsoft Expression Blend. Le processus initial adopté par le Musée pour numériser ces artefacts était le balayeur 3D; cependant, cette option ne pouvait pas être utilisée pour cet artefact, car le balayeur n’était pas en mesure de numériser un navire de cette grande taille.

Défi

Le navire ne pouvait pas être modifié, manipulé ou altéré pendant le processus. Pour modéliser un objet semblable, le concepteur 3D sépare habituellement l’objet en composantes de base. Puis, à l’aide de divers dispositifs, par exemple le balayeur à plat et les outils conventionnels de mesure, le concepteur recrée le plus fidèlement possible les composantes en 3D et il les remonte pour créer l’artefact original. Ce processus permet également de capturer les diverses textures et surfaces qui composent l’objet, sans interférence ou blocage des autres pièces de l’objet.

Solution

Compte tenu de l’impossibilité de séparer les composantes de l’artefact en question ou de le toucher, notre seule option était de modéliser l’objet à l’œil et travailler à partir de photographies à haute résolution prises d’une manière très particulière pour produire les meilleures images numériques possible desquelles nous pourrions extraire la forme, les profils, la position, l’échelle relative et les textures de surface. Le photographe du Musée avait reçu un guide de photos avec scénario en images décrivant les diverses photos prises, en plus des renseignements de perspective et d’éclairage.

Avant d’amorcer l’actuelle modélisation, nous avons d’abord évalué les éléments ou caractéristiques du navire à capturer pour véhiculer fidèlement l’essence et l’expérience de l’artefact original. Dans ce cas, l’emphase a été placée sur la façon dont l’objet avait été construit : fabriqué à la main et assemblé à partir de bois et peint à la main – autrement dit, un objet qui démontre les imperfections de sa construction.

Pour y arriver, j’ai décidé d’utiliser, dans la mesure du possible, les techniques de modélisation fondées sur la manipulation de l’objet plutôt que la géométrie créée par ordinateur pour produire un effet de fabrication à la main comportant des imperfections.

Les textures de surface ont été reproduites à partir de la photographie numérique en isolant et extrayant certaines faces précises de l’objet. Ces dernières ont été nettoyées dans Photoshop pour supprimer les éléments de blocage et les ombres; les distorsions d’image de la caméra ont ensuite été corrigées.

Le modèle de navire en 3D a ensuite été converti dans le format de fichier particulier utilisé par le logiciel Microsoft Expression Blend pour importer les objets 3D.

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