Infographie tridimensionnelle

Modélisation 3D de la Grande Mosquée de Kairouan (en Tunisie).

La modélisation va consister à faire stocker par l'ordinateur un ensemble de données géométriques et de caractéristiques graphiques permettant de représenter ensuite le modèle. Ce modèle est habituellement appelé scène 3D, d'après l'anglais scene qui signifie « vue », on dira donc « vue 3D ». Voir l'article dédié pour plus d'informations :

• CSG (Constructive Solid Geometry, géométrie constructive des solides) : les objets sont définis par des opérations (unions, intersections…) sur des formes géométriques dans l'espace (polyèdres, sphères, cônes, courbes de Bézier, splines, NURBS…). Cette méthode est bien adaptée pour la création ex nihilo, puisqu'elle correspond bien à la façon dont l'esprit humain se représente la forme des objets.
• B-Rep (Boundary Representation, représentation par frontières) : la surface de chacun des objets est limitée par des formes géométriques 2D (généralement des triangles). C'est le format naturel de sortie des scanners 3D qui mesurent les cotes de points à la surface des objets. C'est aussi la représentation généralement utilisée par les dispositifs d'affichage accélérés pour la 3D.
• Splines, où les surfaces sont décrites par des courbes formant un treillis.
• Surfaces implicites, où les objets à représenter sont décrits par des surfaces joignant des volumes, le plus souvent des sphères.
• Voxels, reprenant en 3D l'analogie des images numériques où l'espace est divisé en intervalles réguliers.

Le processus de modélisation peut être soit automatique comme pour un scanner 3D, où un programme va créer une représentation informatique à partir d'un objet réel du monde, soit manuel à l'aide d'un logiciel d'édition 3D. Dans ce dernier cas, un infographiste est responsable de la création du modèle. Ces logiciels sont appelés modeleurs d'après l'anglais modeler.

Parmi les logiciels les plus connus et les plus répandus se trouvent 3D Studio Max, Maya, XSI, LightWave, Cinema4D, 3D Turbo, Modo et le logiciel open source, Blender.

Le rendu se décompose à son tour en plusieurs phases :

• calcul de l'éclairage (on parle d'illumination) ;
• projection dans le plan d'observation ;
• dessin à proprement parler avec application éventuelle de textures.

Il arrive que certaines de ces phases soient réalisées en même temps (dans les cartes 3D par exemple)

• Le rendu est une phase qui consiste à transformer l'espace 3D en une image 2D. Le rendu est généré par un/des programme(s) qu'on appelle moteur de rendu 3D, intégré(s) ou non au logiciel de modélisation.

Rendu plat à gauche, ombrage de Gouraud à droite

• Illumination locale :

• Illumination face par face : La normale de la face est calculée en fonction de la position de ses sommet dans l'espace. À partir de cette normale, et des propriétés de la surface, on additionne la lumière ambiante, ainsi que la réflexion (diffuse et spéculaire) des lumières projetées par les sources lumineuses. Cela permet d'avoir un rendu relativement réaliste avec peu de calcul. Il est possible d'augmenter à certains endroits les faces pour un rendu plus précis.
• L'algorithme d'ombrage de Gouraud est une méthode de rendu très simplifiée puisqu'elle consiste à calculer les normales aux sommets d'un polyèdre (un triangle et généralement utilisé, parfois un polyèdre à quatre sommets) en fonction de ses voisins, on calcule ensuite la lumière en ces sommets en fonction de cette normale. Enfin, ces caractéristiques lumineuses sont interpolées pixel par pixel, sur la face du polyèdre : Il s'agit donc de l'interpolation de la lumière calculée en ses sommets ;

Rendu plat à gauche et ombrage de Phong à droite

• L'algorithme d'ombrage de Phong permet d'avoir une mise en volume plus précise que Gouraud. Comme pour Gouraud, les Normales sont calculées au sommets du polyèdre en fonction de ses voisins, mais ce sont les normales qui sont interpolées à chacun des points. La normale interpolée résultante à chaque point est utilisée pour recalculer la lumière, avec les mêmes critères. Le rendus est donc plus précis que Gouraud mais demande également plus de calculs, mais moins que si les normales étaient calculées à chaque point. Si le nombre de faces est très élevé, les deux méthodes donnent des résultats proches, mais avec très peu de faces, le résultat de Phong est plus réaliste.

• Illumination globale :

image utilisant la radiance (ou Radiosité) résolue par la Méthode de Monte-Carlo

• La radiosité (ou radiance) calcule les échanges d'énergie lumineuse entre éléments de surface de la scène en tenant compte de leurs propriétés de réflexion et d'absorption. Cela nécessite de décomposer la scène en éléments finis de surface. Cela permet des éclairages naturellement doux. Cette technique associée au lancer de rayons et à d'autres voisines permettant les inter-réflexions est une technique d'illumination globale.

Les objets ainsi définis par des nombres peuvent ensuite être dessinés sur un écran ; les triplets de valeurs (x, y, z) sont transformés en points du dessin. Ce rendu utilise généralement la notion de Perspective linéaire : plus l'objet est loin, plus il est dessiné petit ; ce procédé est parfois qualifié de « vraie 3D » ou de « vision naturelle ».

La position des points s'obtient facilement. Un produit matriciel effectue un changement de coordonnées, vers un repère dont l'origine est le point de vue, l'axe de profondeur z’ est la direction principale, perpendiculaire à la surface de rendu, et les deux autres axes, x’ et y’ sont parallèles à la largeur et la hauteur de la surface de rendu. Un produit scalaire par le quotient de la distance entre point de vue et surface de rendu et la cote sur l'axe z’ de profondeur, ramène ensuite tous les points dans le plan de visualisation.

La perspective axonométrique, dont la perspective cavalière et les projections orthogonales (notamment la perspective isométrique, voir aussi Géométrie descriptive) est une perspective linéaire pour une distance d'observation infinie. La taille de l'objet ne varie pas avec l'éloignement ; l'éloignement est figuré par un déplacement dans le plan de la figure. Elle s'obtient également par calcul matriciel.

Le rendu doit généralement déterminer quelles sont les parties visibles et les parties cachées. Les techniques de la synthèse d'images 3D ont d'abord distingué les algorithmes de calcul des faces cachées qui travaillaient dans l'espace 3D de la scène et ceux du rendu photoréaliste qui travaillaient dans l'espace 2D de l'image (pixels). Les algorithmes de rendu actuels réalisent les deux fonctions simultanément.

D'autres algorithmes de rendu tiennent compte du fait que les détails et les contrastes s'estompent avec l'éloignement (perspective atmosphérique).

À ces types de perspective, on associe un type de dessin :

• Z-buffer (tampon de profondeur des pixels), utilisant l'algorithme dit du peintre (qui peint la scène en partant du fond puis successivement les sujets de plus en plus rapprochés) pour afficher les scènes constituées de polygones ou de structures plus évoluées comme les nurbs, et qui gère correctement l'affichage de polygones entremêlés à la précision de l'affichage car le tracé se fait pixel par pixel. C'est une méthode 3D de calcul de faces cachées à l'échelle des pixels car elle conserve la profondeur de chaque pixel ;
• le lancer de rayon (raytracing, dont est dérivé le raycasting), simulant le parcours inverse de la lumière de la scène vers l'œil. Cette technique permet de simuler relativement facilement les phénomènes physiques que sont réflexion et réfraction ainsi que les ombres portées mais crée des scènes trop pures et irréalistes. Dans ce cas, la projection est réalisée en même temps que le dessin car tracer un rayon implique de le projeter dans la scène 3D ;
• autres…

Des techniques complémentaires d'application de texture (texture mapping) sont utilisées pour le rendu d'effets plus réalistes sans pour autant rendre plus complexes les modèles 3D. Par exemple :

• l'application de textures photoréalistes issues de l'objet réel ;
• le placage de relief (bump mapping) qui est une perturbation locale des normales à la surface et permet de rendre l'aspect de surfaces granuleuses par exemple ;
• les textures d'éclairage.

Avec ces techniques apparaissent les problèmes de filtrage, qui est nécessaire pour éliminer les artefacts.

• La représentation par arêtes, équivalente du dessin au trait, ne représente que les bords des objets de la scène ne nécessitant qu'un algorithme de faces cachées. Cette méthode de calcul dans l'espace 3D est encore utilisée dans de nombreux modeleurs pour avoir un affichage rapide.

Finalement, on a une image 2D. Cette image aurait très bien pu être dessinée directement en 2D, mais elle a été calculée, générée à partir du modèle 3D.

Le monde de la 3D en images de synthèse est, effectivement, mathématiquement réel. Mais le mécanisme ici est inversé, tel un dessinateur reproduisant sur papier carton une œuvre sculptée sous tous ses angles. L'image en deux dimensions résultant du rendu d'une scène tridimensionnelle n'est autre que le sous-produit de ce monde virtuel « filaire ». Les possibilités de cette technologie sont infinies, tout comme un artiste dessinateur pourrait reproduire la réalité sous une infinité d'angles et de paramètres différents.

Contrairement à une image tridimensionnelle classique, une image tridimensionnelle volumétrique (ou volumique), donne une valeur à tous les points de l'espace (calculs matriciels). Ceux-ci sont tous reliés (ou non) entre eux afin de constituer des polygones que l'on appelle communément des facettes. Ces facettes interconnectées entre elles à leur tour, constituent finalement l'objet 3D en question. Par ailleurs, d'autres points peuvent se trouver eux aussi à l'intérieur même de l'objet, ceux-là même auxquels on peut attribuer des fonctions spécifiques supplémentaires, conférant à l'objet une impression de masse en plus du volume (ex. : Objet plein / Objet creux).

La vision en relief provient du fait que, les deux yeux étant décalés, un objet n'est pas vu au même endroit par les deux yeux (différence de parallaxe). L'ordinateur peut générer deux images différentes, une étant vue par l'œil gauche, l'autre par l'œil droit, et donner ainsi une impression de relief.

Un moyen simple de créer ce « relief artificiel » consiste à générer une seule image, dite anaglyphe, mais contenant les informations pour les deux yeux, en deux couleurs, en général vert et rouge. Le spectateur dispose de lunettes ayant un filtre vert d'un côté (cet œil ne voit que les informations rouges, qui apparaissent en noir, voir Synthèse soustractive), et un filtre rouge de l'autre côté (cet œil ne voit que les informations vertes, qui apparaissent également en noir).

On peut aussi travailler avec une seule image initiale, avec une répartition des couleurs judicieuses. Les lunettes décrites ci-dessus exagèrent l'effet visuel sur ces images spéciales, mettant au premier plan le sujet de l'image en vert et l'arrière plan du décor en rouge. On obtient ainsi une illusion de profondeur stéréoscopique, ainsi que de relief.

Rien n'interdit avec les processeurs actuels de calculer en quelques minutes, voire en quelques secondes, des hologrammes simples impressionnés sur des films à bonne résolution. Le procédé existe en fait depuis le début des années 1970 (l'IBM Systems Journal avait fourni un exemplaire d'un tel hologramme calculé dans l'un de ses numéros de cette décennie). Le procédé n'eut pas de suite à l'époque pour des raisons de coût, mais pourrait ressurgir aujourd'hui.

La 3D temps réel est effectivement utilisée dans les jeux vidéo, mais a également de nombreuses autres applications : visualisation architecturale, visualisation médicale, simulations diverses, économiseurs d'écrans… Le challenge technique inhérent à cette sorte de 3D est d'obtenir la meilleure qualité d'image possible tout en conservant une animation fluide, ce qui demande d'optimiser au mieux les calculs d'affichage. Au début, tous les calculs revenaient au processeur central (CPU) des ordinateurs, mais la puissance toujours plus grande demandée pour améliorer la qualité des images poussa des constructeurs à commercialiser des cartes PCI (Peripheral Component Interconnect) spécialisées dans la 3D. La première disponible sur PC (Personal Computer) fut la Voodoo de la société 3DFX^{[réf. souhaitée]}. Aujourd'hui, les cartes graphiques intègrent pour la très grande majorité des fonctions d'accélération 3D.

L'utilisation de processeurs dédiés au calcul de la 3D créa la nécessité de définir des API (application programming interface) standard, permettant aux développeurs de facilement accéder aux fonctions accélérées et aux constructeurs de les inclure dans les processeurs. Les deux API 3D les plus répandues sont OpenGL et Direct3D (composant DirectX), concurrent plus récent développé par Microsoft mais réservé aux systèmes Windows, alors qu'OpenGL est multi plate-forme. L'API Vulkan est la descendante d'OpenGL, finalisée en 2016 et issue d'un groupe de travail réunissant les principaux acteurs en termes de matériel 3D (AMD, Intel, Nvidia), le Khronos group. Elle est en passe de devenir la référence, car conçue pour travailler avec les processeurs graphiques (GPU) à bas niveau, en optimisant l'accès à leurs ressources (mémoire, jeu d'instructions). Vulkan devrait permettre une nette amélioration des performances et des possibilités offertes aux développeurs, sans avoir à changer de matériel, la modification se faisant au niveau logiciel (par mise à jour des pilotes graphiques du système). Le smartphone Samsung Galaxy S7 a été le premier appareil mobile a proposer l'accès à l'API Vulkan, et la démonstration qui a été faite utilisant le moteur 3D Unreal Engine 4 a repoussé les limites de la 3D temps réel sur mobile. Depuis les tablettes Android Nvidia Shield ont également été mises à jour avec le support de Vulkan.

3D précalculée

La 3D précalculée est utilisée dans la création d'images, d'effets spéciaux et de films d'animation. Son avantage principal est qu'elle permet d'obtenir une très grande qualité d'image et un réalisme poussé. L'image est qualifiée de « photoréaliste » lorsque son niveau de détail est très important. On peut alors la confondre avec une photographie. En 2001, Final Fantasy : les Créatures de l’esprit, est le premier long-métrage ayant pour ambition le photoréalisme.

La 3D pré-calculée ne permet aucune interactivité. Le spectateur ne peut agir sur la scène 3D. Elle est notamment utilisée au cinéma ou en télévision.

Une préoccupation pour les temps de calcul existe, mais à une échelle totalement différente de celle de la 3D temps réel. En effet, dans cette dernière, une animation fluide demande qu'il soit possible de calculer plus de vingt images par seconde, alors qu'en 3D précalculée, le calcul d'une image peut prendre des heures, voire des jours. Une fois toutes les images calculées, elles sont projetées à la fréquence voulue (24 images par seconde pour du film 35 mm par ex.). Elles sont souvent générées sur ce que l'on appelle une ferme de calcul. C'est un réseau important d'ordinateurs reliés les uns aux autres pour multiplier la puissance de calcul. Comme chaque seconde d'animation requiert près de 30 images, cela signifie que pour 15 minutes d'animations le réseau devra générer plus de 27 000 images.

Les logiciels calculant ces images, les « moteurs de rendu » (renderers en anglais) sont nombreux. Au fil des années, les logiciels grand public se sont considérablement améliorés pour affiner le grain et aussi pour transmettre les effets réels sur l'environnement imaginé par les équipes de concepteurs. Par contre, des firmes spécialisées avec des artistes aux connaissances pointues en modélisation, en éclairage, et en animation sont toujours nécessaires. Les autres logiciels les plus connus sont RenderMan, Mental Ray, finalRender, Brazil r/s, V-Ray.

Une technique populaire de calcul 3D est le « lancer de rayon » (raytracing). Dans cette technique, un rayon lumineux « part » de chaque point de l'écran, et « rencontre » les objets dispersés dans la scène 3D et se « reflète » sur eux.

La 3D pré-calculée connaît un succès fulgurant auprès du grand public, notamment grâce à sa diffusion au cinéma. Le studio d'animation Pixar est voué uniquement à la création de films en images de synthèse depuis les années 1980. Il est reconnu comme précurseur en la matière. Il développe notamment RenderMan, un moteur de rendu considéré comme l'un des plus performants aujourd'hui, servant au rendu de toutes les productions du studio ainsi qu'à celui de la vaste majorité des images de synthèse de longs métrages (voir films en images de synthèse et Synthèse d'image).

Les domaines de l'architecture, de l'aménagement intérieur ou encore de la publicité utilisent de plus en plus ces méthodes pour faciliter la vente de futurs projets.

La 3D hybride vise à améliorer le photo-réalisme de la 3D temps réel en pré-calculant (et donc en figeant) certains paramètres dont le calcul est coûteux mais dont la qualité est indispensable au réalisme de l'image.

L'éclairage fait partie de ces paramètres coûteux. En 3D temps réel, il est sacrifié : pas ou peu d'ombres portées, pas d'illumination globale. Or, un bon éclairage apporte énormément au réalisme de l'image et c'est souvent ce qui fait la grande différence entre la 3D temps réel et la 3D pré-calculée. Figer ce paramètre peut être un problème, il ne peut plus être changé en temps réel, l'éclairage ne peut plus être complètement dynamique. Mais il y a de nombreux contextes d'utilisation de la 3D temps réel dans lesquels il n'est pas indispensable d'avoir un éclairage complètement dynamique et où on peut donc se permettre de figer cet éclairage.

On calcule alors des textures d'éclairage (lightmaps) qui encodent l'éclairage. Ce calcul est relativement long (précalculé, il n'est pas fait en temps réel) mais, une fois effectué, l'information d'éclairage est disponible instantanément. La qualité du rendu peut alors approcher ce qu'on obtient en 3D précalculée tout en apportant de l'interactivité dans les réglages de tous les autres paramètres.

De nos jours, les images de synthèse sont utilisées dans le domaine de l'immobilier. Elles ont comme objectifs de promouvoir les objets immobiliers en insérant les images dans des brochures ou des sites internet. Elles servent aussi à créer des films 3D[1] promotionnels, des visites guidées et participent également à la création de visites virtuelles à 360° (à l'aide des casques de réalité virtuelle).

Parallèlement, avec l'essor des places de marché en ligne (sites marchands), les images de synthèse sont de plus en plus utilisées par les fournisseurs pour se différencier. Ils mettent ainsi en scène leurs produits dans des images photo-réalistes. Cette méthode a l'avantage de réaliser de nombreux visuels pour un coût bien plus avantageux qu'un shooting-photo[2].

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