Quatorze dollars et quatre-vingt-quinze cents est le prix actuel d’un circuit sur iRacing. Est-ce un prix élevé ou raisonnable ? Je dirais que, comme tout, cela dépend de la manière dont on l’analyse. Ce qui ne fait aucun doute, c’est que les circuits sont l’élément sur lequel nous dépenserons le plus dans ce simulateur, car si vous pouvez vous concentrer sur quelques classes de voitures et y rester un certain temps, la liste des circuits d’une série varie, de sorte que participer régulièrement à une saison nécessite d’en posséder une bonne partie – encore plus si vous courez sur ovale et sur route. Cependant, l’objectif de cet article n’est pas de discuter du coût de la course sur iRacing ; nous allons plutôt nous concentrer sur les systèmes de balayage laser 3D pour comprendre ce qu’ils sont et comment ils sont utilisés pour créer les circuits de simulation sur lesquels nous courons.
L’utilisation des scanners laser dans le relevé topographique des circuits
Les passionnés de simracing et de sport automobile en général savent déjà, ou ont au moins entendu dire, que les circuits des simulateurs de nouvelle génération sont créés à l’aide de la technologie des scanners laser (ci-après dénommés SL). En réalité, ils ne sont pas exactement « créés avec », mais plutôt construits à partir des points obtenus grâce à ce type d’équipement. En d’autres termes, le SL est utilisé pour réaliser le relevé topographique 3D du circuit.
Les ingénieurs en topographie et en cartographie mesurent les circuits depuis des décennies, mais ils utilisaient auparavant d’autres outils topographiques. Le besoin de plans techniques précis des pistes ne date pas d’aujourd’hui ; il a toujours été une nécessité pour les équipes professionnelles de compétition afin d’étudier les trajectoires en détail et d’améliorer les temps au tour.
Avant les scanners laser…
Avant les systèmes de simulation 3D actuels, on utilisait des plans papier des circuits et/ou des systèmes informatiques 2D pour analyser les trajectoires. En fait, des systèmes similaires à raceoptimal sont encore utilisés aujourd’hui pour ce type d’études, bien que les systèmes modernes soient évidemment beaucoup plus complets. Cependant, tout cela n’a de valeur que si l’on dispose d’une représentation géométrique adéquate du circuit.
Les SL ne sont qu’une évolution des techniques de mesure. Autrefois, les ingénieurs en topographie utilisaient des théodolites et des niveaux, puis des stations totales, suivies d’équipements GPS topographiques, et maintenant la tendance est aux SL. Les méthodes traditionnelles étaient très invasives et impliquaient une interruption partielle ou totale de l’activité du circuit, car l’équipe de topographie devait être présente pendant plusieurs jours ou semaines, selon le circuit et les exigences du projet. Relever un circuit entier de 3 km pouvait prendre plusieurs semaines de travail à temps plein. Mais c’était ce qui existait, et les équipes professionnelles de course alimentaient leurs études et systèmes de simulation avec ce type de relevés topographiques, car des données fiables étaient (et sont) cruciales pour elles.
Ces relevés topographiques, bien qu’extrêmement précis au millimètre près, restaient un modèle discret de la réalité, c’est-à-dire non continu. L’ingénieur en topographie décidait quels points mesurer pour représenter les éléments du circuit. Lorsqu’on utilisait un tel équipement pour mesurer, par exemple, un mur ou la ligne de bord de piste, on sélectionnait les points nécessaires pour définir sa géométrie, mais pas plus. On ne mesurait pas un point tous les centimètres, ni mille points pour tracer un arc ; on discrétisait, car ce n’était pas strictement nécessaire et sinon, on n’aurait jamais fini, même en dix ans.
Avantages des systèmes de scanners laser
Et c’est précisément la principale raison pour laquelle les systèmes SL se sont imposés : d’une part, le temps de prise de données est considérablement réduit, et d’autre part, on obtient des relevés pratiquement continus. De plus, alors que les éléments et espaces autour de la piste – zones de dégagement, barrières, murs, etc. – étaient auparavant « inventés » et modélisés à partir de données cartographiques ou de photos de l’environnement, le SL les mesure désormais également, fournissant en un seul balayage toutes les données importantes pour le relevé complet du circuit, pas seulement de la piste elle-même. Cela est également important, car ces éléments périphériques servent souvent de points de référence visuels pour les pilotes. Plus ces éléments sont positionnés avec précision, plus l’expérience est complète et fidèle à la réalité.
Cependant, si on nous dit qu’un circuit a été relevé avec un SL, nous ne devons pas en déduire automatiquement que la précision topographique absolue obtenue est extrêmement élevée ou meilleure que celle des méthodes « traditionnelles ». Nous aurons certes plus de points, mais pas nécessairement de meilleure qualité. Certains simulateurs vantent leur travail avec le SL comme un argument de vente, et nous verrons que, dans une certaine mesure et dans certains cas, ces annonces sont très sensationnalistes – non pas parce que les SL ne sont pas des appareils de très haute performance (ils le sont), mais parce que les résultats d’un relevé topographique avec SL, la précision positionnelle des points obtenus, dépendent de plusieurs facteurs : la distance, la méthodologie, et les systèmes complémentaires utilisés avec le SL, et pas seulement du SL lui-même. En fin de compte, comme pour tout, les résultats dépendent de la technologie utilisée, mais surtout de la manière dont elle est appliquée. Nous y reviendrons plus en détail ultérieurement.
Origine et applications des lasers
Le mot « laser » est l’acronyme anglais de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation » (Amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Le premier laser opérationnel a été démontré en mai 1960 par Theodore Maiman dans les laboratoires Hughes Research Laboratories. Depuis lors, ils ont été développés et perfectionnés, servant de nombreuses sciences et domaines professionnels. L’un de ces domaines, comme nous l’avons vu, est celui de la mesure en ingénierie topographique.
En Espagne, les deux diplômes universitaires spécialisés dans l’utilisation des SL comme outils de mesure sont celui d’ingénieur technique en géomatique et topographie (http://www.coit-topografia.es/) et son niveau supérieur, celui d’ingénieur supérieur en topographie, géodésie et cartographie (http://www.topografia.upm.es/portal/site/ETSITopografia). Bien sûr, ce ne sont pas les seuls professionnels à utiliser ces équipements, mais ils sont sans doute les plus qualifiés potentiellement par leur formation académique pour le faire correctement, en maîtrisant la méthodologie, en garantissant les précisions requises pour chaque projet et en combinant ces techniques avec des systèmes de mesure et de positionnement complémentaires pour ajuster et géoréférencer l’ensemble des données collectées.
Méthodologie topographique dans iRacing
Dans les vidéos publiées par iRacing sur son site web pour expliquer comment ils ont utilisé cette technologie pour relever les circuits, on peut voir du matériel typiquement topographique. La méthodologie appliquée est de la topographie pure et dure : des parcours polygonaux et des techniques de liaison qui permettent de maintenir le contrôle géométrique et le chevauchement nécessaires pour a) couvrir l’ensemble du circuit avec des stations successives et b) géoréférencer toutes les prises réalisées. Le SL visible dans ces vidéos d’iRacing est de la marque Leica, une multinationale fabricante d’équipements topographiques via son groupe Leica Geosystem. La marque Trimble propose également ce type d’équipements, comme son Trimble TX8 Scanner, et il faut aussi mentionner la marque FARO. Il existe d’autres fabricants, mais ces trois-là sont peut-être les plus importants dans ce domaine.
Fonctionnement d’un scanner laser
Mais comment fonctionne un SL ? Le matériel interne du SL émet essentiellement une onde, un rayon laser, et mesure le temps qu’elle met à revenir à l’appareil. Il dispose, entre autres, de systèmes optoélectroniques pour l’émission et la réception du rayon, de contrôle des positions angulaires de l’équipement et de traitement des données enregistrées (je mettrai en lien plusieurs vidéos explicatives à la fin). Comme l’appareil connaît avec une grande précision les caractéristiques de ce rayon, la vitesse à laquelle il voyage dans l’air, le temps qu’il met à le faire et les conditions environnementales grâce à des capteurs internes qui mesurent ces valeurs, il calcule la distance à laquelle se trouve l’objet ou l’obstacle qui a provoqué le rebond de l’onde.
Cela, combiné au fait que l’appareil contrôle en permanence la géométrie relative des rayons émis – les angles verticaux et horizontaux de chaque signal envoyé et reçu – permet au système d’attribuer des coordonnées XYZ aux données enregistrées, qui sont, en fin de compte, des points dans l’espace 3D autour du SL.
En réalité, le SL n’émet pas une seule impulsion, mais des centaines de milliers par seconde – assez pour obtenir les résolutions et moyennes requises. Vous pouvez imaginer que le sujet est bien plus complexe que cela : il existe des scanners à mesure de temps et d’autres appelés scanners à triangulation, selon la manière dont ils mesurent les distances, et les premiers sont à leur tour regroupés en lasers à temps de vol ou à comparaison de phase, chacun avec ses avantages et inconvénients, et donc destinés à différents objectifs et exigences. Ce sont des développements différents au sein de la même technologie que nous regroupons sous le terme simplifié de SL. Évidemment, nous n’entrerons pas dans tous ces détails, car c’est « une tout autre affaire ».
Il convient toutefois de noter que tous les SL ne fonctionnent pas avec les mêmes résolutions et qualités, ni n’ont les mêmes portées en distance. De plus, un même appareil SL permet de sélectionner différents niveaux de résolution et de qualité, car dans certains cas, nous avons besoin de résultats très précis, et dans d’autres, non. La résolution et la qualité sont les deux paramètres les plus importants dans un SL : la résolution est la distance entre les points, qui dépend à son tour de la distance des objets par rapport à la position du SL – autrement dit, pour une même résolution de prise, les éléments plus proches du SL seront représentés par un nuage de points plus dense. La qualité est le nombre de fois que le SL va mesurer chaque point, car il ne s’agit pas d’une seule mesure mais de plusieurs, dans le but de faire une moyenne et d’obtenir la distance la plus probable pour chaque point. Par ailleurs, les SL peuvent également être classés selon leur portée : courte portée pour mesurer des grottes, des installations ou des bâtiments intérieurs (jusqu’à 30-40 m), moyenne portée (jusqu’à 120 m) et longue portée (généralement autour de 350 m). Il en existe avec une portée encore plus grande pour des relevés depuis des aéronefs, mais nous n’aborderons pas ceux-là.
Capacités des scanners laser modernes
La plupart des SL de dernière génération peuvent capturer jusqu’à 1 000 000 de points par seconde. Oui, vous avez bien lu – un million de points par seconde. Et ce n’est pas tout : ils obtiennent les coordonnées XYZ de chaque point avec une précision inférieure à 1 cm. En plus des coordonnées XYZ, le SL enregistre la réflectance de la surface mesurée et attribue à chaque point sa valeur correspondante, ce qui permet d’interpréter les différentes surfaces et textures capturées. Le nuage de points obtenu, bien qu’il s’agisse d’un ensemble non structuré, est si dense qu’il forme une image permettant d’interpréter clairement la forme et la texture des objets scannés. Par ailleurs, certains équipements SL intègrent une caméra interne qui attribue à chaque point une couleur dans le système RGB, améliorant considérablement la capacité d’analyse du nuage de points, car celui-ci peut apparaître comme une photographie de l’espace mesuré à certains niveaux de zoom.
Après avoir effectué le relevé d’un circuit avec un SL, ce que nous obtenons est simplement un nuage de points qui sert à identifier au bureau les éléments mesurés. À partir de cette base de données – qui n’est pas encore une surface ou un élément structurel à proprement parler, juste des points disposés dans l’espace – il faut commencer à travailler pour obtenir enfin un modèle 3D.
Du balayage au modèle 3D photoréaliste
Indépendamment du fait que le SL dispose ou non d’une caméra interne, ce type de travaux est souvent enrichi par une étude photographique complémentaire de tout l’espace mesuré. Les photos prises sont ensuite projetées sur la structure 3D, un processus qui permet d’obtenir un modèle photoréaliste. C’est un peu comme si l’on jetait un drap étendu sur une cage : le drap se moule à la forme de la structure, mais ce que nous voyons, c’est l’image imprimée sur le drap en forme de cage, et non la structure de la cage elle-même. Le processus combiné est un peu plus complexe et nécessite de contrôler certains aspects positionnels et métriques, mais cette explication simplifiée suffit pour comprendre le concept général : 1) D’abord, nous obtenons le nuage de points avec le SL ; 2) Au bureau, en nous appuyant sur le nuage de points, nous construisons les surfaces, la « cage » ou le « squelette » du modèle 3D ; et 3) En utilisant les photographies prises, nous « tapissons » l’ensemble du relevé, obtenant enfin le modèle 3D photoréaliste du circuit mesuré.