Dossier Techniques de modélisation avancée : Simuler les Phénomènes naturels

La simulation des phénomènes naturels comme les nuages, la brume ou les effets aquatiques est un des domaines de l'infographie qui intégrent de nombreuses techniques de pointe et qui permet facielment de rajouter aux images une part de mystère.


Les fluides gazeux ou liquides, modélisés et animés pour la simulation de phénomènes naturels ou pour les effets spéciaux comme les explosions, possèdent des frontières mal définies et mouvantes. Ils sont difficiles à modéliser avec les surfaces géométriques classiques (polygones ou splines). La modélisation procédurale est mieux adaptée, définie par des fonctions mathématiques. La simulation des phénomènes naturels est un domaine d'expérimentation béni par les scientifiques pour valider leurs derniers algorithmes et pour intégrer leurs modèles physiques les plus récents comme l'hydrodynamique ou les caustiques.

La génération des détails de matières est aussi le royaume des textures mathématiques. On associe avec raison aux formes de la nature les magnifiques images fractales, largement connues grâce au "Julia Set" de Mandelbrot. Montagnes, nuages, forêts vues d'avion, nombre d'objets naturels ont des caractéristiques fractales évidentes. Mais en pratique, les formes fractales, trop reconnaissables et trop pures visuellement, sont rarement utilisées seules dans les logiciels de création. Pour la modélisation des nuages, les lois de la turbulence sont privilégiées et les végétaux – en dehors de cas très particuliers comme la fougère – gagnent à être modélisés par des lois de croissance botanique.

Modéliser le ciel

La simulation des nuages a ceci d'intéressant qu'elle regroupe nombre de techniques avancées de simulation. La modélisation se construit en deux étapes : une forme extérieure animable et une matière interne. Surtout pour les gros nuages comme les cumulus, un ensemble d'ellipsoïdes peut habilement décrire l'enveloppe extérieure. Ces ellipsoïdes servent de support à des metaballs ou blobs, une famille de surfaces implicites qui lissent naturellement les intersections entre les primitives. L'animation (et la déformation) des nuages se fait ensuite très simplement en animant les ellipsoïdes à l'aide d'un système de particules, par combinaison de lois physiques et d'un réglage manuel.

La matière des nuages est générée par les mêmes types d'algorithmes que ceux qui ont servi à modéliser les premières textures 3D procédurales (veines du bois, marbre, etc). Proposés par Ken Perlin en 1985, ces algorithmes combinent une fonction de turbulence3D et une variation statistique fractale. Enfin un rendering volumique de qualité – dont le principe est de décomposer l'espace en volumes élémentaires (les voxels) - est nécessaire pour rendre les transparence et les frontières chaotiques des nuages. Il doit être en effet capable de générer les ombres, de simuler les subtilités de transparence et les variations d'albedo des nuages ainsi que d'intégrer l'atténuation progressive due à l'atmosphère.

Un océan plus vrai que nature

Autre domaine difficile, celui des effets aquatiques, surfaces écumeuses de l'océan pris sous la tempête ou reflets changeants de lumière sur une mer calme. Le produit le plus étonnant de réalisme est "Digital Nature Tool" d'Areté Software, à base de simulations physiques fournies par les océanographes américains. DNT a fait ses preuves dans le long-métrage Waterworld puis dans de très nombreux autres dont le Titanic et le Cinquième Elément. Areté a édité toute une gamme de plugins pour les grands logiciels 3D : Psunami pour les vagues, Psyclone pour les nuages, P_liquid pour les jets d'eau et Pyro pour le feu. Le produit phare (RenderWorld) de simulation d'océan et de cieux est disponible en standalone.

Le réalisme est obtenu par les lois physiques qui régissent la simulation, les vagues sont animées par dynamique des fluides (équations de Navier-Stokes), le volume est maintenu constant, l'écume est simulée par une animation hydrodynamique de plusieurs milliers de particules. La hauteur des vagues est aléatoire. Sa dispersion statistique a été mesurée pendant plusieurs décennies par des océanographes et dépend de paramètres environnementaux comme la vitesse et la direction du vent, la salinité et la température de l'eau. Mais le produit ne serait pas utilisable en production sans un peu de triche, le modèle physique a été modifié pour devenir cyclique. L'utilisateur a aussi la possibilité d'exercer un contrôle artistique, en particulier sur la déformation de la crête des vagues.

Le royaume des moteurs de rendering dédiés

Même si les logiciels 3D généralistes incluent des plugins de création de végétation ou de nuages, la génération de paysages est un domaine où les logiciels dédiés sont indispensables. Leur spécificité est liée aux très nombreuses fonctions procédurales et propriétaires et au gigantisme des bases de données de terrain et de végétation. Il y a souvent peu d'intérêt à exporter les scènes générées dans ces logiciels de paysages (Word Construction Set, World Builder, Vue d'Esprit, Bryce, etc) pour les processer dans des moteurs de rendering généralistes. Une première méthode consiste à importer des objets, comme l'architecture ou les personnages, et à tout processer dans le logiciel de paysages. Une autre méthode est de calculer les éléments de paysages d'une scène : ciel, sol et plantes, surfaces d'eau, etc et de les composer (grâce à un masque de profondeur) avec d'autres éléments issus d'un logiciel classique.

Nicholas Phelps Président, E-on Software Quelles sont les spécificités technologiques de "Vue d'esprit" ? Ce qui frappe le plus quand on regarde une image créée avec Vue d’Esprit, c’est avant tout la qualité de la lumière et la douceur du rendu. Ces effets lumineux baignent dans un modèle d’atmosphère réaliste qui simule précisément les interactions entre la lumière, l’humidité et les particules en suspension dans le brouillard et la brume de l’atmosphère. C’est en particulier grâce à ce modèle qu’on observe des phénomènes naturels d’éparpillement et de réchauffement de la couleur de la lumière lorsque celle-ci traverse une atmosphère dense (typiquement, lorsque le soleil s’approche de l’horizon). L’objectif même de Vue d’Esprit, qui est de créer des paysages, conduit à devoir afficher des textures réalistes sur de grandes étendues, et à des échelles différentes. Ce résultat étant difficile à obtenir à partir de textures mappées, nous avons dû développer un système complet de textures dites procédurales. Ce système, parmi les plus élaboré, permet de combiner aisément différentes matières en fonction de l’environnement. Faire apparaître de la neige au sommet d’une montagne devient ainsi un jeu d’enfant. Depuis la version 4, le moteur de textures est également capable de gérer les effets de type caustiques et glow. Comment voyez-vous le futur ? Ces dernières années, les logiciels de synthèse d’image ont énormément gagné en puissance et en simplicité d’utilisation. Vue d’Esprit, qui permet aux artistes d’être créatifs immédiatement, sans avoir à apprendre une interface encombrante et parfois cryptique, est un exemple type. Le plus gros défi que nous devrons relever ces prochaines années sera de garder Vue d’Esprit simple d’emploi. Nos esprits sont remplis de toutes les nouvelles fonctionnalités que nous voudrions ajouter. Mais la lourdeur et la difficulté d’utilisation croissent souvent en parallèle, et nous tenons absolument à éviter que Vue d’Esprit ne devienne une autre « usine à gaz »… De la même manière, les outils du futur devront développer des trésors d’ingéniosité pour masquer leur complexité et leur puissance. La qualité des visuels de synthèse est intimement liée à la perception qu’ont les spectateurs de leur complexité. Cette complexité ne peut pas être uniquement à la charge de l’artiste. De nombreux outils existent déjà qui automatisent cette complexité, tant au niveau de la modélisation, des textures et de la subtilité des éclairages, qu’au niveau de l’animation elle-même (systèmes physiques, modélisation comportementale, IA...). Les logiciels du futur seront certainement programmés pour apporter automatiquement le haut degré de complexité nécessaire à la crédibilité des images, et l’allégorie de l’acteur virtuel deviendra sans doute une réalité d’ici peu.

Pour en savoir plus :

Vue d'esprit / E-on Software : www.e-onsoftware.com
World Construction Set / 3D Nature LLC : www.3dnature.com
World Builder / Animatek : www.animatek.com
Bryce / Metacreations : www.metacreations.com
Digital Nature Tool / Areté : www.areteis.com

© mars 2002 François Ploye et Pixel SA