L’esquisse : DÉFINITION et Utilisation en conception 3D

Frédéric Danesi*, Yvon Gardan*, Benoît Martin**, Isabelle Pecci**

*Équipe CMCAO, I.F.T.S. 
Pôle de Haute Technologie, 7 boulevard Jean Delautre, F-08000 Charleville-Mézières
**Équipe CMCAO, Université de Metz 
Ile du Saulcy, F-57045 Metz Cedex 01
{danesi, martin, pecci}@lrim.sciences.univ-metz.fr, gardan@infonie.fr
Résumé — Sachant que la conception 3D est incontournable et souvent peu évidente à réaliser pour un opérateur, nous nous intéressons à la conception 3D par esquisses. Nous présentons les résultats des recherches, dans le contexte de la CAO, sur la conception 3D par esquisses ou tout au moins sur ce que les auteurs des systèmes étudiés apparient à la conception par esquisses. 

Introduction
La plupart des modeleurs CAO et des programmes de conception 3D utilisent des interfaces graphiques 2D qui forment une barrière pour la productivité : l’opérateur doit effectuer des transformations mentales de l’espace de réflexion 3D vers l’interface 2D. L’évolution étant, les périphériques d’entrée permettent à présent une conception directe en 3D en fournissant suffisamment de paramètres pour pouvoir se positionner et/ou s’orienter en 3D. Cependant, le travail du dialogue est compliqué par la masse d’informations fournies par de tels périphériques et, parfois, le travail de l’opérateur l’est aussi puisqu’il doit s’adapter à ceux-ci. Une approche pour simplifier la tâche de l’opérateur consiste à lui proposer une conception par esquisses. Habituellement, l’esquisse est considérée comme une conception approximative et grossière, au sens de la forme et de la taille. Nous tentons de cerner ce qu’est l’esquisse dans les systèmes actuels et nous nous intéressons à l’utilisation possible de l’esquisse pour faciliter la conception 3D.
1. Les systèmes étudiés 
Nous présentons ici une étude basée sur les travaux réalisés dans (Danesi, 1999). Cette étude a porté sur une douzaine de systèmes opérationnels (3D Palette, 3D Shape Deformation, 3DSketch, 3-Draw, Covirds, Holosketch, Ides, Jdcad, QuickSketch, Sketch et Virtual Clay) ainsi que sur certains travaux de recherche pour des points plus précis. Tous proposent une conception 3D intégrant des notions d’esquisse sous différentes formes.
Les systèmes étudiés sont des systèmes de CAO que nous pouvons qualifier de laxistes, à savoir des systèmes qui laissent plus de libertés à l’opérateur pendant la conception. C’est le cas de 3-Draw (Sachs et al., 1991), qui permet de dessiner directement en 3D des formes complexes libres, par saisie de points caractéristiques et dessin de courbes. De même, (Deering, 1995) définit Holosketch comme un système de dessin (et d’animation) 3D, fournissant un environnement facile d’utilisation. C’est aussi le cas des systèmes 3D Palette (Billinghurst et al., 1997), Covirds (Chu et al., 1997), Jdcad (Liang et Green, 1994) et Sketch (Zeleznik et al., 1996) qui ont tous pour objectif la modélisation approximative, au sens de la taille, d’un objet ou d’une scène 3D par agrégation d’instances de primitives (formes de base). Cependant, ce type de modélisation limite énormément les possibilités des systèmes. Pour pallier ce défaut, Covirds autorise la création de surfaces, de même que les systèmes 3D Shape Deformation (Murakami et Nakajima, 1994) et Virtual Clay (Kameyama, 1997). Ils sont basés sur la déformation de surfaces Nurbs (Non Uniform Rational B-Spline).
Dans un système de CAO, l’opérateur doit habituellement connaître précisément son but ainsi que la démarche pour y parvenir. Certains systèmes proposent une approche inverse : l’opérateur dessine grossièrement (esquisse) son but, puis le système propose une solution. Cinq systèmes intègrent cette notion d’esquisse : Covirds, Ides (Branco et al., 1994), 3DSketch (Han et Medioni, 1997), QuickSketch (Eggli et al., 1997) et Sketch. Ces systèmes sont basés sur un moteur de reconnaissance de formes qui, à partir de flots de gestes, propose un modèle correspondant. Le système QuickSketch est basé sur la reconnaissance de contours 2D, puis une extrusion, révolution ou interpolation pour passer en 3D. Ides combine interprétation de dessins et outils de modélisation 3D plus traditionnels, tels que les opérations booléennes. Covirds quant à lui analyse le mouvement et la déformation de la main de l’opérateur pour générer une surface. Ces systèmes n’ont donc pas uniquement pour but de permettre à l’opérateur de créer un modèle approché, mais de l’esquisser, au sens habituel du terme. 
2. Comparatif	
2.1. Equipement
L’évolution des techniques d’interaction a pour objectif de laisser l’opérateur interagir avec le système à un niveau plus naturel. Cependant, ces techniques requièrent souvent du matériel spécialisé, voire spécifique. Nous développons dans cette section l’étude des moyens matériels mis en œuvre au sein des différents systèmes étudiés pour permettre la conception 3D par esquisses.
Equipement d’entrée
Dans la majorité des systèmes étudiés, les périphériques d’entrée utilisés sont des périphériques 2D standards (souris, crayon optique, scanner, etc.). Cependant, les périphériques d’entrée standards tels que la souris et le clavier dans les systèmes de CAO courants ne fournissent pas à l’opérateur de facilités pour une manipulation de formes 3D directe et intuitive (Murakami et Nakajima, 1994). 
De nouvelles possibilités sont offertes par l’immersion de l’opérateur, rendue possible par l’apparition de la Réalité Virtuelle. Ceci peut apporter des connaissances nouvelles, comme par exemple l’apparition de la troisième dimension lors de la saisie, et améliorer le dialogue. Les auteurs ont donc naturellement fait évoluer leurs interfaces en utilisant des périphériques d’entrée à plus de deux dimensions, c’est-à-dire pouvant fournir suffisamment d’informations pour se positionner et/ou s’orienter dans l’espace. Nous retrouvons dans cette catégorie d’équipements les souris 3D (position) utilisées par Holosketch et Virtual Clay et d’autres dérivés comme par exemple le “ bat ” (position et orientation) utilisé par Jdcad ou les gants utilisés par Covirds. 
Cependant, aucun d’entre eux ne correspond à des périphériques d’entrée dédiés à l’esquisse, contrairement à ce que d’autres systèmes ont choisi d’utiliser. L’interaction avec un gant dans Covirds n’est pas seulement basée sur l’idée d’obtenir la position de la main mais aussi sur l’idée d’en interpréter le mouvement et la déformation. Murakami et Nakajima (Murakami et Nakajima, 1994) vont jusqu’à développer un périphérique spécifique pour la saisie 3D dans leur système : un cube de mousse déformable retournant les caractéristiques de chaque pression exercée sur sa surface. Enfin, plusieurs systèmes se sont basés sur l’idée même de l’esquisse, au sens papier-crayon, pour leur équipement. C’est le cas des systèmes 3D Palette et 3‑Draw qui utilisent tous deux un stylo 3D, accompagné d’une palette représentant la surface de dessin (ou la base du volume de conception) et du système 3DSketch qui utilise un stylo 3D articulé par un bras.
Equipement de sortie
Pour de nombreux systèmes (3D Shape Deformation, 3DSketch, 3-Draw, Covirds, Jdcad, Sketch, Ides, QuickSketch), la visualisation se fait sur un écran standard, ce qui est limité pour une conception en 3D. D’autres, tels que 3D Palette, Holosketch et Virtual Clay, ont opté pour une solution plus orientée Réalité Virtuelle en dotant l’opérateur de lunettes stéréoscopiques ou d’un casque HMD (Head Mounted Display). Cependant, le port d’un casque (et celui de lunettes dans une moindre mesure) est inadéquat, pour l’instant, dans le cadre de la conception 3D par esquisses : d’une part à cause de l’idée même de l’esquisse qui implique une technique hâtive (mise en place de l’équipement peu adaptée), d’autre part à cause de la durée de la tâche à réaliser (fatigue oculaire, etc.).
Il existe d’autres périphériques de sortie comme les périphériques haptiques (PhantomTM, etc.) qui fournissent à l’opérateur des retours de force ou des retours tactiles. Le retour haptique est une autre solution pour communiquer des informations à l’opérateur. Toutefois, il est encore très peu utilisé. Parmi tous les systèmes étudiés, seul Covirds l’utilise, mais très peu. Pourtant, cette voie apporte des connaissances nouvelles en particulier pour la conception 3D par esquisses, puisqu’elle permet à l’opérateur de sentir l’objet en cours de modélisation. Le retour de force permet de simuler le poids, l’inertie, la dureté, etc., et le retour tactile permet de simuler la géométrie de la surface de contact, la rugosité, la température, etc. (Burdea, 1999). Il s’agit, comme le retour auditif proposé par (Chu et al., 1997) pour informer l’opérateur sur les résultats de ses interactions, d’un nouveau vecteur d’informations : sans surcharger la zone d’interaction par un affichage d’informations, le système peut transmettre de nouvelles données à l’opérateur et inversement. Le retour de force permet aussi d’esquisser des informations difficiles sans ce type de matériel, comme l’élasticité ou la dureté d’un matériau, la tension d’un ressort, etc. 
2.2. Techniques d’interaction
Nous étudions dans cette partie le dialogue mis en place, au sein de chaque système, pour faire de l’esquisse.
Création
La création d’un objet ou d’une scène en 3D peut se réaliser principalement de deux façons différentes : soit à l’aide de primitives de base (cube, sphère, etc.), soit à l’aide de surfaces (Nurbs, surfaces gauches, etc.). 
La plupart des auteurs définissent l’esquisse comme une modélisation approximative d’une forme, utilisant pour cela une méthode de modélisation paramétrique (création d’une forme à partir d’un objet de base et de paramètres). Nous retrouvons dans les systèmes étudiés deux types de méthodes pour choisir un élément de base (primitive). La plus répandue correspond à une philosophie orientée menus qui est une pratique courante et naturelle pour des environnements 2D. La seconde méthode, en restant sur le principe de la création d’une forme 3D par agrégation de formes de base, est une reconnaissance automatique de la forme à partir des intentions de l’opérateur (gestes), permettant une interaction plus intuitive : l’opérateur esquisse réellement la forme qu’il veut concevoir. L’esquisse est alors utilisée comme méthode de saisie. Les systèmes qui utilisent cette technique sont Sketch, QuickSketch, 3DSketch et Ides. Tous reconnaissent, à partir d’un dessin, les caractéristiques d’une forme de base. Cette forme est ensuite instanciée avec pour paramètres ceux correspondants dans l’esquisse d’origine. Pour Sketch et 3DSketch, l’utilisation du terme reconnaissance de formes est sans doute abusive ; il s’agit en fait d’interpréter un flot de gestes suivant un langage particulier que l’opérateur doit apprendre, ce qui pose le problème de la distance, définie par (Norman et Draper, 1986), entre le langage d’interaction et le métier de l’opérateur. Avec cette technique, le langage pose deux barrières : l’apprentissage obligatoire et les limites du langage. 
Toutes ces techniques permettent l’instanciation de formes prédéfinies. D’autres systèmes proposent de créer des surfaces 3D fermées pour pouvoir modéliser des formes libres. Trois systèmes ont étudié la création de surfaces 3D à partir de l’extrusion ou de la révolution d’une surface 2D : QuickSketch, qui est avant tout un modeleur 2D basé sur l’esquisse, 3D Palette et Ides. D’autres systèmes ont étudié la création directe de surfaces 3D. 3D Shape Deformation et Virtual Clay, sont basés sur la déformation d’une surface Nurbs. Covirds utilise quant à lui l’esquisse pour créer une surface quelconque. La technique d’interaction est simple : l’opérateur, muni d’un gant, déplace sa main. À partir de la position, de l’orientation et de la forme instantanée de la main, le système recalcule le mouvement de l’opérateur et en déduit une surface 3D.
Sélection
Les techniques de sélection utilisées dans les systèmes étudiés sont des techniques habituelles (ray-casting, cone-casting, etc.) où l’esquisse ne joue aucun rôle. Pourtant, (Pierce et al., 1997) ont évoqué des techniques prometteuses pour le dialogue, pour les environnements de Réalité Virtuelle comme les techniques :
-	Head Crusher (sélectionner l’objet entre deux doigts),
-	Sticky Finger (montrer du doigt),
-	Lifting Palm (porter l’objet),
-	Framing Hands (encadrer l’objet avec les mains). 
Toutes ces techniques restent pour l’instant des idées peu utilisées et pouvant être considérées comme des “ esquisses de sélection ”, puisque la sélection est approximative. 
Modification
La modification d’objets de base se fait généralement par sélection d’un objet et déplacement de ses sommets (permettant ainsi de modifier sa forme générale et sa taille). Seul Sketch intègre une technique innovante de modification, appelée “ oversketching ” : littéralement, esquisser par-dessus. Elle consiste à dessiner de nouveau (approximativement) l’arête à remplacer (en repassant sur cette arête dans un sens) puis de dessiner (dans l’autre sens) la nouvelle arête. 
Un important travail a été réalisé sur la modification de surfaces par esquisses. Murakami et Nakajima ont développé un périphérique dédié (cube de mousse) associé à un objet de base (surface en forme de cube). La modélisation s’effectue par déformation du cube. Chaque pression sur le cube se traduit par une déformation équivalente de la surface. Il s’agit là d’un premier pas vers un retour tactile, puisque l’opérateur sent ce qu’il fait. De même, Virtual Clay permet de déformer une partie choisie d’une Nurbs (d’une forme choisie : cube, sphère, etc.) par pression sur une palette tactile. Un autre point intéressant réside dans les perspectives du système Covirds : les auteurs ont imaginé déformer une surface en utilisant le retour de force. Ainsi, après avoir précisé les propriétés de la surface à déformer (rigidité, élasticité, etc.), l’opérateur peut virtuellement la déformer et sentir ce qu’il fait. Ce serait alors, en terme d’esquisse, une innovation non négligeable. 
Enfin, le dernier système à intégrer la modification de surfaces est 3DSketch. Il utilise un module permettant de déformer la surface du solide créé, en utilisant le stylo 3D comme tantôt une source attractive, tantôt une source répulsive.
Déplacement du point de vue
Peu de systèmes permettent la navigation dans l’espace car la plupart d’entre eux ont un espace de travail limité ou ne permettent la création que d’un objet et pas d’une scène complète. C’est pourquoi ils n’autorisent qu’un simple changement du point de vue et des paramètres de la caméra virtuelle. L’intérêt de ces systèmes (sur ce point particulier) réside alors dans la technique utilisée, qui dépend en règle générale de l’équipement. Par exemple, 3-Draw et 3D Palette ne permettent que de tourner autour de l’objet, en faisant tourner la palette sur laquelle il est virtuellement attaché. Cela met en évidence un problème important du dialogue : les techniques d’interaction ne sont pas adaptées aux besoins de l’opérateur mais aux possibilités du système. Seuls Pausch et al. (Pausch et al., 1995) ont proposé une technique d’interaction qui intègre l’esquisse dans le déplacement : la métaphore “ Worlds In Miniature ”. WIM est une représentation graphique miniature de l’environnement virtuel, tenue virtuellement dans la main, qui offre en plus de la vision en perspective de l’opérateur une seconde vue plus générale en avant plan de l’environnement virtuel. L’opérateur manipule directement la vue miniature et peut ainsi se déplacer approximativement dans la scène.
3. Définition de l’esquisse
L’utilisation de l’esquisse dans les systèmes étudiés nous montre que l’esquisse ne peut être considérée uniquement comme la création approximative d’une forme. De manière générale, le but de l’esquisse est la modélisation mais c’est aussi un dialogue pour la modélisation, le déplacement, la sélection, etc.
3.1. Pour la modélisation
La création de formes 3D en utilisant des systèmes de CAO, à savoir des modeleurs, est longue et difficile. C’est pourquoi ces systèmes sont difficiles à utiliser dans les premières phases (conceptuelles) du processus de conception. L’esquisse est considérée par de nombreuses personnes comme une technique fondamentale pour les étapes conceptuelles de la conception (Akeo et al., 1994). Notre propos n’était pas d’étudier la place de l’esquisse dans le processus de conception. Toutefois, il est important de remarquer que l’esquisse devrait faire partie du processus de conception. La problématique, pour un système basé sur l’esquisse au sens modélisation approximative, est alors de représenter un modèle “ esquissé ” à l’aide d’un modeleur CAO “ exact ”. Par exemple, pour modéliser une cloche, l’opérateur peut la modéliser de façon approximative en la représentant par un cône tronqué. Cela lui donne un modèle approximatif du modèle final : c’est l’esquisse pour la modélisation. L’esquisse laisse donc plus de liberté (i.e. moins de contraintes), au niveau dimension, placement, etc. que dans les systèmes de CAO habituels.
3.2. Pour le dialogue
Nous pouvons dire que l’esquisse n’est pas uniquement un concept de modélisation, au sens modélisation approximative (à l’aide de techniques habituelles), mais aussi, et surtout, une technique d’interaction. Reprenons l’exemple de la cloche en supposant que l’opérateur souhaite modéliser un cône tronqué. Pour cela, il peut utiliser un menu (menu créer cône tronqué), une barre d’outils, etc., ou dessiner à main levée la forme générale, à charge pour le dialogue d’interpréter cette interaction pour en déduire un objet géométrique. L’opérateur n’a plus à connaître la démarche à suivre (suite de commandes) pour arriver à ses fins mais simplement à exprimer son but (dialogue déclaratif). Le rôle du dialogue est ensuite d’interpréter les interactions équivalentes nécessaires. C’est en ce sens que le but de l’esquisse est de diminuer la distance d’interaction (Norman et Draper, 1986) entre l’opérateur et le système. Ceci correspond à une approche de l’esquisse différente : l’esquisse est considérée comme un dialogue approximatif (que ce soit pour la création, la sélection, etc.), plus proche de l’opérateur, et non plus uniquement comme un résultat.
3.3. Synthèse
L’esquisse intervient donc dans les systèmes étudiés en tant que modélisation et/ou dialogue (voir figure 1.). La plupart des auteurs ont traduit l’esquisse pour la modélisation en une conception approximative tandis que l’esquisse pour le dialogue n’apparaît dans les systèmes étudiés que sous forme peu développée : seuls Covirds, 3D Shape Deformation, Ides, 3DSketch, QuickSketch et Sketch intègrent cette notion. 
 Figure 1 – Esquisse pour le dialogue (a), esquisse pour la modélisation (b), modèle final (c).
La notion d’esquisse va donc largement au-delà de la première idée qu’elle représente : “ un dessin à main levée ”.
Conclusion
L’esquisse en CAO ne peut se contenter d’une définition unique. Nous pouvons pourtant en préciser le but général : permettre à l’opérateur d’exprimer ses idées sans se préoccuper des facteurs essentiels mais inutiles dans les premières étapes du processus de conception : formes exactes, dimensions, etc.
L’esquisse est avant tout un mode de communication proche de l’opérateur, un langage “ métier ”. Il ne s’agit en aucun cas d’appareiller le terme esquisse au terme brouillon. Il est décevant de se rendre compte que, pour la plupart des systèmes qui se vantent d’utiliser et d’intégrer l’esquisse, celle-ci ne s’avère être que la désignation du résultat et non une évolution du dialogue qui intégrerait ce langage particulier. De plus, les systèmes qui intègrent l’esquisse au niveau du dialogue se contentent d’être les plates-formes d’essais pour de nouveaux matériels, adaptant simplement les techniques d’interaction à ceux-ci. 
L’introduction de l’esquisse aux niveaux dialogue et modélisation pose de nouveaux problèmes potentiels. Le premier problème est la modélisation même au sein d’un système de CAO d’un modèle esquissé. De même, la visualisation d’un modèle esquissé peut-être résolue de plusieurs façons comme par exemple en utilisant des textures spéciales (rendu non photo réaliste) telles que celles utilisées par Sketch. Enfin, l’interaction avec un modèle esquissé est la partie à laquelle nous nous intéresserons le plus et, en particulier, à la gestion des interactions approximatives sur un modèle approximatif. Dans ce but, nous étudierons l’utilisation de l’haptique grand publique afin de faciliter les interactions (esquisse d’informations nouvelles, aide aux interactions, etc.).
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