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Cours d'infographie    Chapitre 3 : Le dessin assisté par ordinateur

I.S.I. Gramme   - Liège

Dessin 2D    Logiciels spécifiques    Dessin 3D   

Il ne faut pas confondre le dessin 2D et l'image de synthèse 2D qui manipule des images pseudo-réalistes complexes sous forme d'entités géométriques ou sous forme de pixels. Le dessin 2D est une méthode qui utilise toujours les concepts d'entités géométriques pour tracer des plans, des schémas électriques et hydrauliques, etc ...

Nous allons étudier d'abord le dessin 2D en dehors du contexte de modélisation 3D. En effet, le dessin de plans n'est pas toujours - et loin s'en faut - lié à des objets tridimensionnels. Et même lorsque c'est le cas, utiliser l'ordinateur pour modéliser l'objet en 3 dimensions n'est pas toujours rentable ni nécessaire. Par contre, lorsqu'un modèle à 3 dimensions existe, les techniques de génération de plans sont relativement différentes de celles décrites ici. Par ailleurs, il existe avec tous les programmes modeleurs 3D, des interfaces avec les logiciels de dessin 2D pour permettre l'habillage des plans.

Le dessin automatisé présente des avantages évidents :

· Des éléments semblables ou identiques ne sont dessinés qu'une fois, puis 'coupés' et 'collés' par le logiciel graphique, par exemple. Ce type de fonctions apporte un énorme gain de temps lors des mises à jour et des modifications de plans.

· Des éléments symétriques ne doivent être dessinés qu'à moitié, l'ordinateur se chargeant de copier en l'inversant la première moitié du dessin. Plus généralement, on peut utiliser des symétries en miroir et des symétries cycliques d'ordre quelconque (2, 4, etc...) et centrés sur des points ou des axes quelconques.

· Les dilatations ou mises à l'échelle sont possibles avec des échelles éventuellement différentes en vertical et en horizontal.

· La cotation automatique (ou semi-automatique) d'un plan est aussi un atout. L'ordinateur connaît les coordonnées de tous les points du plan. Il est donc aisé de lui demander de ressortir sous diverses formes les distances et coordonnées polaires ou cartésiennes des éléments géométriques d'un plan.

· Les logiciels de dessin 2D évolués du genre d'AutoCAD ( www.autodesk.com ), permettent, grâce à un langage de programmation intégré, de définir des objets paramétriques. Ainsi un corps de vanne peut être créé de nombreuses manières suivant les paramètres fournis au sous-programme correspondant : entraxe, diamètres aux extrémités, type de bride, diamètre de l'axe, décentrement, etc.

Cette liste d'avantages n'est pas limitative. Quant aux inconvénients, ils sont de deux ordres : les problèmes d'interface utilisateur et les problèmes des limitations fonctionnelles.

Une fois choisi un programme de dessin, un bureau d'études peut difficilement en changer : ses plans sont mémorisés sous cette forme et un changement, outre l'adaptation à un nouvel outil, présente toujours des problèmes de conversions de données. Donc, il faut 'vivre avec' son outil. Le dessin manuel ne vous empêche pas de vous payer une nouvelle calculette ou un nouveau compas, mais l'ordinateur est plus contraignant à ce propos. On voit mal un architecte faire tous ses plans avec un logiciel interactif, puis retracer ensuite à la main toutes les lignes d'un type particulier que l'ordinateur ne peut pas lui donner.

Quant à l'interface utilisateur, il s'agit de cette couche de logiciel située entre l'utilisateur et le programme en lui-même. C'est cet interface qui gère le clavier, l'écran et les divers périphériques. C'est aussi lui qui, bien souvent, contraint l'utilisateur à des méthodes de travail peu intuitives, peu efficaces, ou trop complexes pour être agréables à utiliser. Même à l'heure des interfaces WIMPS (voir chapitre 1), les éditeurs de logiciels ont encore beaucoup de progrès à faire. Demandez à un dessinateur expérimenté qui utilise journellement l'outil informatique : il vous confirmera qu'on ne dispose jamais d'assez de 'poignées' pour manipuler les données mémorisées. On notera au passage que le succès d'AutoCAD est en grande partie dû au fait qu'il donne justement beaucoup de ces 'poignées' : filtres, fonctions d'accrochage, etc...

Bien évidemment, les programmes de dessin de plans ne mémorisent pas des pixels (ou 'bitmaps') mais bien des entités géométriques. Pour manipuler efficacement ces diverses entités, les données sont souvent organisées en arborescence : c'est la base de données hiérarchique. Les données d'une entité sont regroupées en blocs, qui peuvent eux-mêmes être regroupés, etc. Il existe des hiérarchies à un seul niveau, à deux niveaux et à nombre de niveaux variable.

Ici, est introduite dans de nombreux logiciels, la notion d'héritage (inheritance en anglais). En clair, cela veut dire qu'une qualité (la couleur, le type de ligne,...) définie pour un bloc de la hiérarchie est valable pour toutes les branches qui lui sont rattachées en aval. Ainsi un bloc 'blanc' qui contient trois entités, dont une rouge et deux sans couleur définie, sera affiché avec deux entités blanches et une rouge.

La notion de 'bloc' ainsi définie possède aussi d'autres avantages. Dans le fichier informatique d'un plan ou d'un groupe de plans, on fait souvent appel de nombreuses fois à des blocs identiques. Dans la description des données, à chaque bloc, seul le nom du bloc est enregistré. Ainsi, au moment du chargement en mémoire ou de l'affichage, les données relatives à tous les blocs sont lues dans une zone de mémoire unique. Le gain de place peut ainsi être très important.

Un autre avantage de cette solution est qu'il suffit de modifier une seule fois un bloc pour que tous les endroits où ce bloc est utilisé soient modifiés. La cohérence reste ainsi toujours garantie. Il est bien sûr possible de copier un bloc pour en modifier un des exemplaires sans toucher à l'autre, pour en créer deux variantes différentes (voir figure page 26).

Une caractéristique très avantageuse des logiciels de dessin est la présence de fonctions de création d'entités par contraintes. Au lieu de donner des valeurs à toutes les coordonnées d'une entité géométrique, on n'en donne qu'une partie. Les coordonnées manquantes sont calculées par le programme à partir de contraintes données par le dessinateur. Une contrainte est définie par le type d'élément à construire, la liste des contraintes et le type de l'élément sur lequel porte la contrainte.

Le logiciel de dessin 2D doit être bien conçu pour fonctionner dans tous les cas de figure qui peuvent se présenter, comme contraintes surnuméraires, contraintes manquantes, contraintes incompatibles entre elles, etc.

Décrivons tout d'abord, les fonctions de base ou entités. Les entités de base toujours disponibles sont : le segment de droite, le cercle, l'arc de cercle, l'ellipse et l'arc d'ellipse, les polylignes qui sont des suites de segments contigus et les textes. Pour le tracé de courbes, diverses méthodes sont utilisées. La plus simple est de mémoriser une polyligne avec des segments très courts (méthode : Sketch) dont la résolution fait croire à une courbe continue.

La plupart des programmes modernes (Corel Draw sur PC, par exemple ; www.corel.com )) mémorisent les courbes continues sous la forme de courbes de Bézier ( que nous étudierons plus loin dans ce cours ). Les courbes de Bézier ( http://moshplant.com/direct-or/bezier/index.html ) assurent la continuité de la courbure de la courbe en tous ses points, même aux raccords entre deux segments de courbe.

D'autres programmes utilisent les 'Splines' qui sont plus lourdes à manipuler numériquement, mais offrent l'avantage de la continuité de la dérivée seconde en tous les points de la courbe : la variation du rayon de courbure est aussi continue partout. Les variantes les plus connues de cette techniques sont les B-Splines et les Nurbs (non uniform rational B-Spline).

Les commandes sont introduites par un interface 'texte' ou CLI (Command Line Interface), ou par un interface 'souris' avec menus déroulants ou non et fenêtres de dialogue. Les commandes permettent de créer ou de modifier les entités, d'imprimer, de tracer et de mémoriser sur disque les dessins.

La plupart des commandes impliquent de fournir des informations complémentaires, en général dans une fenêtre de dialogue. Divers modes de travail sont possibles, par exemple 'GRID' qui impose que tous les nouveaux éléments introduits soient sur les noeuds d'une grille de taille prédéfinie. Il existe aussi le mode 'ORTHO' qui impose que les lignes soient horizontales ou verticales.

Un nombre plus ou moins grand de commandes servent à modifier les options de travail comme la taille de la grille, les unités métriques ou en pouces, les fontes de caractères, le type de ligne, l'épaisseur de trait, la couleur de trait, le type de hachures, etc.

Certaines commandes sont très spécifiques à l'écriture de plans. C'est le cas de toutes les commandes de cotation.

Le logiciel AutoCAD d'Autodesk est un des leaders de ce marché. Il contient une série de fonctionnalités très utiles comme les fonctions d'accrochage (SNAP) qui permettent de placer précisément des entités : au milieu d'un segment, à l'extrémité d'un segment, tangent, au centre, etc.

L'usage de ce type de programme est moins exigeant sur les performances de la machine que les programmes 3D, mais le travail fort interactif exige des temps de réponse rapides.

Pour un usage professionnel, on conseille donc de n'utiliser les programmes de la classe d'AutoCAD qu'avec des PC rapides (avec écran couleur 17 ou 21 pouces, disque dur rapide et processeur PENTIUM II) et de préférence avec une carte graphique performante. Les PC haut de Gamme de Intergraph sont les plus recherchés pour ces applications ( www.intergraph.com ).

Les blocs sont des groupes d'entités géométriques qui sont manipulables comme faisant un tout. Les blocs peuvent être copiés, insérés dans le dessin et mémorisés sur disque. On appelle aussi les blocs des instances d’un objet (en terminologie OOP).

Les attributs sont des textes ou des valeurs numériques que l'on peut associer à une entité géométrique (avec AutoCAD, les attributs sont liés aux blocs). Il est ainsi possible d'associer à chaque bloc d'un plan un numéro de pièce, une dimension, une couleur. Les attributs ne servent à rien pour le tracé du dessin à proprement dit. Par contre, ils sont copiés, supprimés, sauvegardés en même temps que les blocs de façon automatique. Le plan étant terminé, il est alors possible de compter le nombre de blocs d'un certain type, de générer une liste de composants, une liste des couleurs, etc. On peut pour cela utiliser des logiciels de base de données comme ACCESS.

Une bibliothèque d'éléments contient deux types d'entités : les blocs tels que définis ci-dessus, que l'on peut insérer tels quels dans un dessin; et les éléments paramétrés qui sont bien plus souples d'usage. Ce ne sont pas des figures mémorisées, mais des sous-programmes de dessin qui calculent à chaque appel un nouvel élément à partir d'une ou plusieurs valeurs (les paramètres) donnés par l'utilisateur.

Dans le cas d'AutoCAD, les bibliothèques paramétriques sont des programmes écrits en langage AutoLisp, le langage intégré à AutoCAD ou en langage C (une version adaptée à AutoCAD mais proche du standard). Dans le cas d'autres logiciels, il s'agit de programmes externes. Dans ce cas, les possibilités d'utiliser les éléments de bibliothèque peuvent être plus ou moins interactives.

Gain de place, facilité de mise à jour, facilité de créer des variantes en copiant l’objet de base et en le modifiant légèrement, facilité de créer des familles d’objet paramétrables.

En CAE, les besoins tout à fait spécifiques interdisent virtuellement l'usage d'un logiciel standard. Le dessin de circuits imprimés (C.I.)simple ou double face ou multicouches implique l'emploi de fonctions spécifiques, comme l'auto-routage. Ces logiciels ont de plus en plus souvent des algorithmes basés sur les procédés d'intelligence artificielle comme les réseaux de neurones.

Des logiciels particuliers, uniquement dédiées à cette tâche, comme P-Cad, proposent des fonctionnalités très étendues. Ils dessinent les implantations réelles des pistes conductrices en suivant le réseau de connections imposées par l'utilisateur. Ce réseau est soit introduit interactivement, soit - c'est le cas normal - repris automatiquement d'un schéma théorique.

Les composants sont alors implantés physiquement sur la carte par une fonction qui répartit équitablement la densité de connections par unité de surface. Les chemins (paths) des conducteurs sont ensuite déterminés par l'auto-routeur qui devra respecter une série de règles de construction (design rules) qui sont paramétrables par l'utilisateur. Ainsi, pour des composants à montage en surface (SMD), il n'est pas question d'arriver avec un conducteur par la face opposée au composant, puisque les pattes d'un circuit SMD ne traversent pas le C.I. On peut imposer aux pistes d'adresses ou de données d'un bloc de mémoires l'interdiction d'être contiguës. On peut aussi imposer une distance maximale entre un composant et son condensateur de découplage, une largeur minimale de piste pour certains signaux, etc...

Il est bien entendu possible d'implanter ce type de fonctions en AutoLisp dans un programme CAO général comme AutoCAD, mais on ne peut pas prétendre à l'efficacité d'un programme dédicacé avec ce type de solutions.

Ici aussi les besoins particuliers de l'application donnent aux logiciels dédicacés un avantage certain. Par exemple Trace Elec PRo de la société TraceIndustry ( www.traceindustry.com ) sont des logiciels voués uniquement à la schématique. Ils permettent le dessin de schémas classiques en plusieurs feuilles , généralement au format A3 (les folios). Les fonctions de base de dessin 2D, les bibliothèques paramétrées ou non sont ici aussi présentes. Mais, des fonctions spécialisées permettent la numérotation automatique des composants et des conducteurs, l'indication des connections entre folios (par ex : une sortie du folio 1 indique 'vers folio 4 entrée 17').

Le logiciel produit automatiquement les plans de borniers, les listes de composants et les listes de câblage et vérifie la présence de câblage en boucles, de câbles non connectés, etc.

Ici, les programmes dédiés sont aussi très utilisés. Bien entendu, un programme de calcul par éléments finis est souvent utilisé pour le dimensionnement ou la vérification des structures portantes en acier ou en béton. Mais le dessin de plans architecturaux possède aussi ses contraintes particulières. Bien sûr, des logiciels généraux comme AutoCAD ou RoboCAD, munis d'une extension spécifique, peuvent donner satisfaction. Toutefois, les fonctionnalités des programmes dédiés sont souvent supérieures.

Les fonctions propres à l'architecture concernent surtout les métrés : on détermine les volumes, les surfaces et les poids de matériaux utilisés. Ceci permet de faciliter l'établissement des devis. Le nombre de mètres carrés de plafonnage permet d'évaluer le coût de main d'œuvre autant que le tonnage des matériaux. Les bibliothèques standard contiennent les éléments de constructions les plus courants : portes, fenêtres, blocs, poutres, etc. La liaison avec une base de données des fournisseurs et des prix permet une génération automatique des bons de commande et des bons de travail pour les sous-traitants. La notion d'attributs liés à chaque composant permet aussi de générer automatiquement un texte descriptif du bâtiment, pour la présentation du projet ou pour le cahier des charges. Les vues perspectives sont réalisables dans n'importe quel environnement de CAO, mais, pour les architectes, il faut toujours un certain 'habillage' des vues : arbres, paysages, personnages et véhicules, texture des matériaux.

Un autre problème particulier à l'architecture est la conception des toitures. Le programme dédié génère directement les listes de bois, les projections et coupes, la surface de couverture, le nombre de tuiles tenant compte des pertes dues aux découpes plus ou moins complexes.

Les calculs thermiques peuvent aussi être directement liés au plan. Toutes les informations concernant les surfaces, les matériaux sont directement transmis au programme de calcul, qui établira les puissances de chauffe nécessaires pour chaque local. Les divers paramètres architecturaux qui doivent légalement être déterminés sont aussi calculés automatiquement (rapport surface sol/surface vitrée, coefficient K70, surface chauffée, etc.).

En mécanique, le besoin de faire des coupes et des vues d'objets complexes imposent de plus en plus de modéliser les objets en 3 dimensions. Les plans bidimensionnels sont déduits de la forme 3D et ensuite enrichis (cotation, hachures) de la façon classique, comme en vrai '2D'. Les logiciels de dessin 2D offrent ,comme AutoCAD Release 14, quasiment toujours des fonctionnalités 3D.

L'état de l'art en 1999 veut qu'un bon programme de CAO soit capable de modéliser en 3 dimensions. Si ceci ne présente aucun intérêt en schématique, il est vrai que dans presque tous les domaines, l'obtention de coupes et de vues en perspective sont des facilités bien agréables. N'oublions toutefois pas que représenter un objet en 3D demande un temps de travail nettement supérieur au tracé d'un plan 3 vues.

Les détails de fonctionnement d'un modeleur 3D seront étudiés plus loin dans ce cours. Mais on peut déjà se rendre compte des avantages d'un modèle tridimensionnel. Il sera ainsi possible d'étudier la génération automatique du volume modélisé par une machine-outil à commande numérique. On peut aussi se servir du modèle pour générer le maillage et les codes utiles pour le calcul par éléments finis. Le stade de la maquette en bois ou plâtre sera remplacé par une visualisation réaliste du modèle 3D. Le modèle pourra aussi servir à vérifier les cinématiques diverses des assemblages.

Visualiser un modèle en 3D, c’est bien. Mais si on est capable de recalculer son image en temps réel (c’est-à-dire au moins 25 fois par seconde), on peut laisser l’utilisateur piloter la caméra autour, voire dans l’objet observé. Si l’utilisateur porte un casque avec un écran pour chaque œil et que l’ordinateur connaît (par des capteurs appropriés) l’orientation du casque, le pilotage devient automatique et intuitif, comme dans la réalité. On peut aussi manipuler les objets virtuels à la main avec un ‘DataGlove’.D’où le terme pour décrire ce type d’expérience : ‘Réalité Virtuelle’. Ces techniques, malgré leur prix élevé, s’installent de plus en plus dans la vie de l’ingénieur (Boeing et Framatome par exemple) ou même celle du médecin.

Cette page est copyright B.Michel, 2009