Infographie 3D - Définition

Généralités

La synthèse d'image 3D fait appel à un espace vectoriel. Cet espace est décomposé en 3 dimensions sur les axes cartésiens, nommés habituellement X, Y et Z.

Prenons, dans une pièce, un point de référence, et définissons des directions gauche-droite (X), avant-arrière (Y) et haut-bas (Z). Pour aller de l'origine à un point donné, il faut faire :

• x mètres vers la droite ;
• y mètres vers l'avant ;
• z mètres vers le haut.

Si l'on peut permuter l'ordre dans lequel on peut faire le déplacement, cette combinaison (x, y, z) est unique : un point de la pièce est représenté par un triplet unique, et un triplet représente un seul point de la pièce (voir Repérage dans le plan et dans l'espace, Système de coordonnées cartésiennes et Géométrie analytique). Ce triplet de valeurs s'appelle les coordonnées du point.

Le point de référence est appelé « l'origine » et se note habituellement O, il correspond au triplet (0, 0, 0).

Se déplacer d'une valeur a à gauche équivaut à se déplacer d'une valeur −a à droite. Reculer d'une valeur b équivaut à avancer de −b. Descendre d'une valeur c équivaut à monter de −c. (Voir l'article Nombre entier relatif).

Prenons maintenant un volume simple, un polyèdre. Ce polyèdre peut être défini par les coordonnées de ses sommets. Par la donnée d'une série de valeurs [ (x₁, y₁, z₁) ; (x₂, y₂, z₂) ; … ; (x_n, y_n, z_n) ], on définit ce volume.

Prenons par exemple les huit points

• (-4, -4, -4)
• (-4, -4, 4)
• (-4, 4, -4)
• (-4, 4, 4)
• (4, -4, -4)
• (4, -4, 4)
• (4, 4, -4)
• (4, 4, 4)

ces huit points définissent les sommets d'un cube dont l'arrête a une longueur 8, et dont le centre est en O.

On a ainsi représenté un cube par un ensemble de valeurs. Cet espace est également appelé une matrice tridimensionnelle ou « virtuelle » dans le monde de l'imagerie 3D.

Salons

• Le Siggraph est le rendez-vous annuel des laboratoires de recherche sur la synthèse d'image.
• Chaque année, le festival des images de synthèse Imagina a lieu à Monaco.

Contraintes temporelles

Bien que la technologie soit analogue dans les deux cas (cinéma et jeu vidéo), il existe des différences notables. La contrainte de temps réel inhérente au jeu vidéo n'existe évidemment pas au cinéma. C'est pourquoi les images de synthèse utilisées au cinéma, plus détaillées, sont précalculées une par une, ce qui permet un bien meilleur rendu visuel. Il convient donc de bien faire la différence entre la 3D en temps réel et la 3D précalculée. Le cinéma et le jeu vidéo ne sont pas les seuls contextes d'utilisation de la synthèse d'image 3D. D'autres contextes, notamment celui de la Maquette numérique d'aspect utilisent des solutions hybrides, des compromis entre 3D temps réel et 3D précalculée, qui permettent d'obtenir dans certains cas un rendu visuel proche de la synthèse d'image 3D précalculée tout en bénéficiant des avantages de la 3D temps réel.

3D temps réel

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 légendaire Voodoo de la société 3DFX. 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.

3D précalculée

Animation précalculée

La 3D précalculée est utilisée pour la création d'effets spéciaux et de films d'animation. Son but est surtout d'obtenir une très grande qualité d'image. 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/sec 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 » et se « reflète » sur les objets dispersés dans la scène 3D.

Le studio d'animation Pixar est dédié uniquement à la création de films en images de synthèse depuis les années 1980 et est donc 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 d'une vaste majorité des images de synthèse de longs métrages (voir films en images de synthèse et Synthèse d'image).

L'industrie de l'architecture et de l'aménagement intérieur utilise de plus en plus ces méthodes pour faciliter la vente de futurs projets. Les images de synthèse permettent de transmettre une quantité de données inédite il y a encore vingt ans. Un des plus célèbres architectes, Frank Gehry, canadien basé à Los Angeles, utilise ces logiciels pour faciliter la conception des différents modules qui seront intégrés à ses bâtiments très organiques.

3D hybride

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 ou on peut donc se permettre de figer cet éclairage.

On calcule alors des textures d'éclairage (Lightmap) 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.