Dossier Techniques de modélisation avancée : La génération de paysages

La modélisation à grande échelle de paysages naturels et urbains concilie la recherche mathématique (modélisation fractale pour les terrains, grammaire pour les plantes et les architectures) et l'observation de la réalité dont on tire des lois botaniques ou des lois d'urbanisme.

La description mathématique la plus courante pour modéliser des végétaux réalistes est une grammaire composée de règles et de symboles, le L-système, du nom du biologiste Aristid Lindenmayer. On remplace étape par étape les parties d'un objet initial simple, grâce à des règles déduites de l'observation de plantes réelles, jusqu'à obtenir la forme finale. A la dernière étape, on place les symboles terminaux, feuilles, fleurs, fruits ou morceaux de tronc. Pour obtenir des simulations plus complexes, la grammaire peut être paramétrée. On parle alors de pL-Systèmes (Parametric Lindenmayer Systems). Une variation stochastique de ces paramètres permet de générer une grande variété de plantes dissemblables de la même espèce. Les pL-systems peuvent aussi servir à construire une foule d'autres objets comme les coquillages, les cristaux ou mêmes les immeubles.

Plusieurs techniques proches des L-systèmes existent pour modéliser les plantes dont les fractales ou la technique des graphs. Ces systèmes peuvent être combinés, les règles fractales venant ainsi enrichir la grammaire des L-systèmes. La plupart des logiciels de modélisation de paysages - Vue d'Esprit, World Builder, etc - utilisent des pL-systèmes pour générer la végétation.

Le réalisme des plantes obtenues sera fonction du poids botanique contenu dans les règles, de la définition des paramètres et de la modélisation des symboles terminaux comme les feuilles ou les fruits. Le centre de recherche du CIRAD à Montpellier a obtenu un fort degré de réalisme dans sa représentation de plantes virtuelles en étudiant la croissance des plantes réelles. De Reffye et son équipe y ont développé un modèle procédural fondé sur la notion de graines, qui peuvent naître, croître et mourir. Ces recherches ont été intégrées dans la technologie Amap, et les développements repris récemment par la start-up Bionatics.

Un contrôle artistique

Le réalisme botanique est vital sur des marchés comme l'aménagement paysager. En revanche pour la fiction ou la série, les artistes, créateurs d'images, apprécient de pouvoir définir eux-mêmes la forme globale des plantes. Les algorithmes ne servent ensuite qu'à remplir automatiquement ces formes avec la structure botanique de la plante choisie. Les chercheurs Weber et Penn ont proposé en 1995 un système où la plante se développe à l'intérieur d'une forme géométrique prédéfinie par l'utilisateur. Une autre technique consiste à dessiner une spline qui devient l'armature de la future plante.

Dans le même but, au Siggraph dernier, Przemyslaw Prusinkiewicz de l'Université de Calgary a présenté un éditeur sophistiqué de paramètres d'un L-système. Les étapes de construction de la plante sont définis par des règles modifiables visuellement par l'utilisateur. Le principe est baptisé "la géométrie de la tortue". Le concept vient de la tortue LOGO, qui se déplace avec un stylo sur une grande feuille de papier, et qui permet d'apprendre des concepts basiques de programmation aux enfants. Les plantes en bibliothèque sont construites par une succession d'étapes simples accomplies par cette tortue virtuelle dans l'espace du genre "avance", "tourne à gauche", "met une feuille", etc. L'utilisateur peut intervenir graphiquement sur chacun des paramètres de ces différentes étapes. L'auteur a montré plusieurs exemples où il est arrivé à reproduire très rapidement en virtuel la forme d'une plante réelle photographiée. Il a pu aussi générer une forêt en plaçant des primitives qui furent remplies ensuite automatiquement par son logiciel. L'outil TreeMaker, d'Onyx Computing, fournit dans le même esprit un éditeur très interactif pour contrôler la génération des branches des arbres.

En ce qui concerne la génération artistiquement contrôlée de grands paysages, les fondateurs de Xfrog ont proposé un principe de maps pour définir visuellement la répartition entre les différentes espèces végétales, par exemple entre l'herbe et les paquerettes. Et avec Paint Effects d'Alias-Wavefront l'infographiste peint et colle directement en 3D des végétaux - ou des poils ou n'importe quel objet de son choix - sur n'importe quelle surface. Dans ces outils se trouve peu de réalisme botanique et pas de notion d'écosystèmes mais une grande liberté créatrice au service de résultats très attractifs.

Et aussi les paysages urbains

Ces systèmes procéduraux mis au point pour la génération de paysages naturels sont appliqués à la modélisation automatique de villes. Là encore, les grammaires à base de L-systèmes sont précieuses.

Au dernier Siggraph, des chercheurs de l'Université de Zurich ont montré les premiers résultats d'une ville générée par grammaire. La modélisation se fait en quatre étapes : génération des rues, division en zones construites, génération des immeubles puis des textures sur les immeubles. Le but n'est pas de savoir reproduire les villes existantes mais de créer rapidement des ensembles urbains crédibles. Des règles d'extrusion définissent la croissance des immeubles. Le point de départ de la modélisation est donnée par un terrain avec une map définissant les zones de densité de population. Les textures sur les immeubles sont générées procéduralement : le nombre d'étages et de fenêtres étant calculés par rapport à la dimension de l'immeuble et les entrées étant situées du côté des voiries. Le résultat est prometteur mais la reproduction d'une ville réelle, en revanche, se fait à partir d'une campagne de prises de vue photo sur le terrain.

Michel Murail Président & Directeur Technique de Bionatics Quels sont les produits développés par Bionatics ? En 2001, après REALnat, spécifique à la simulation temps réel, nous avons sorti en cours d'année NatFX, un plugin pour Maya à destination du marché des effets spéciaux, et en Octobre EASYnat un plugin 3DS Viz pour les architectes. Chaque nouveau produit est spécifiquement orienté vers le marché visé et optimisé en fonction du logiciel hôte. Ainsi NatFX Maya, permet très rapidement d’appliquer aux plantes les formidables atouts du logiciel d’Alias/Wavefront en termes de capacité et d'organisation polygonale, et de dynamique. Les branches – construites dynamiquement sur un squelette - sont flexibles. Les feuilles, gérées par des systèmes de particules, peuvent se détacher et s'animer. Le tout exploitant pleinement les capacités de cinématique inverse de Maya. En février dernier, est sortie la version 3DS Max de NatFX qui permet d’associer une haute qualité de rendu visuel à un nombre extrêmement réduit de polygones. En fonction du point de vue caméra choisi par l'utilisateur et d’un secteur angulaire, il génère automatiquement des arbres hybrides par une composition optimisée de plans 2D et d’éléments 3D. En 2002, nous allons nous attaquer à la problématique de visualisation du paysage. Quelle est la spécificité de la technologie Bionatics ? Les systèmes classiques de production de plantes 3D sont généralement basés sur des descriptions mathématiques arborescentes et récursives (l-system, approche fractale), auxquelles sont associés des symboles 3D représentatifs des espèces disponibles. Les réglages des paramètres mathématiques étant délicats à maîtriser, ces modeleurs de plantes utilisent des librairies de modèles 3D prédéfinis qu’il s’agit ensuite de modifier en agissant sur les différents réglages (rayon de courbure, densité…). Cette approche est notamment très pertinente pour créer de toute pièce des plantes fantaisistes. L’approche Bionatics est plus scientifique et donc plus naturelle. Elle utilise les multiples schémas d'architecture botanique recensés, et les différents facteurs et paramètres qui régissent l’évolution et la croissance de chaque espèce. Par simulation des incidents de croissance potentiels, elle permet de produire une infinité d’individus distincts dans une même espèce végétale. Elle va permettre à terme de dépasser le seul problème du modeling pour traiter la simulation de l’écosystème végétal. Avez-vous étendu cette approche procédurale à la génération d’environnement urbain ? Nous avons en réserve quelques travaux de recherche visant à étendre cette approche à la génération automatique du bati à partir des contraintes d’un Plan d’Occupation des Sols. Cependant les règles d’urbanisme sont vraiment spécifiques à chaque région, villes ou communes, car fortement empreintes de la culture et de l’histoire locale. Ceci rend complexe toute tentative de généralisation et nécessite une collecte d’informations trop importante.

Pour en savoir plus :

NatFx / Bionatics : www.bionatics.com
Vue d'esprit / E-on Software : www.e-onsoftware.com
World Construction Set / 3D Nature LLC : www.3dnature.com
Xfrog / Lintermann und Deussen Gb : www.greenworks.de
World Builder / Animatek : www.animatek.com
Vistapro : www.visuanet.com
Bryce / Corel :
Paint Effects / Alias-Wavefront : www.aliaswavefront.com
TreeMaker / Onyx Computing : www.onyxtree.com

© mars 2002 François Ploye et Pixel SA