Dossier le Rendu 3D : vers la maîtrise du réalisme

Grâce à l'augmentation continue de la puissance des processeurs de calculs, des techniques de rendering lourdes comme les cheveux, l'illumination globale ou les rendus volumiques deviennent de plus en plus courantes en production.

Un certain nombre d'algorithmes de rendering, naguère réservés aux centres de recherche, ont été intégrés récemment dans la plupart des logiciels commerciaux. La radiosité est présente dans tous les grands logiciels 3D et commence à faire son apparition dans certaines productions courtes. Des matières complexes, comme la simulation de fourrure ou de cheveux, ont été exploitées dans plusieurs long-métrages en 3D sortis depuis un an. En dehors du cas exceptionnel de "Final Fantasy", volontairement très réaliste, on peut citer "Monsters et Cie", "Ice Age" ou encore "El Bosque animado" produite par la société espagnole, Dygra Films. Cette dernière a su surmonter les contraintes d'un budget modeste à moins de quatre millions d'Euros, et grâce à Maya Fur, habiller de fourrure les héros du film, des taupes très remuantes.

Des poils en profusion

Si plusieurs grands studios ont développées leurs propres solutions pour résoudre le problème de la fourrure ou des cheveux, un certain nombre de solutions commerciales existent, une des plus connues étant le module Fur de Maya. Du côté des plugins, plusieurs produits existent. Lightwave propose une version simplifiée de Sasquatch dans sa nouvelle version 7 mais dans le même environnement il existe aussi le plugin de Joe Alter, "Shave and Haircut". Pour 3DS max, Digimation a intégré son produit Shag:Fur dans un produit plus généraliste, Shag:Hair qui coûte environ 500 Euros. Le principe de ce plugin n'est pas de construire individuellement chaque cheveu mais de s'appuyer sur des splines construites dans 3DS Max pour définir la forme globale de la chevelure et le style de la coiffure. Ces splines peuvent ensuite être animées par le moteur de dynamique interne à Shag:Hair.

De même, Phoenix Tools est parti de son expérience avec RealFur pour créer un produit généraliste, Figaro (290 Euros), destiné à la création de fourrures et de chevelures où chaque pois et cheveu est individuel. Complètement intégré à Softimage, Figaro permet le calcul final dans le moteur de rendering de XSI, soit en importation de Softimage|3D, soit de Maya Fur. La compatibilité avec Maya Fur est assez complète puisqu'elle concerne non seulement la géométrie mais aussi les shaders de Maya. L'intérêt de Figaro est de permettre de tirer parti de la puissance de Mental Ray, en calculant en toute sérénité des géométries mises au point dans Maya Fur, qui peuvent comporter plus d'un million de cheveux.
                                                                    
Vers l'hyper-réalisme

Autre progrès notable, les modèles d'illumination globale, où l'obtention d'ombres réalistes se fait en prenant en compte les renvois de lumière d'un objet sur un autre, commencent à être utilisés à petite échelle en production. Les méthodes les plus connues sont le lancer de rayons de Monte-Carlo (distributed ray-tracing) et la radiosité. La plupart des logiciels intègrent maintenant des solutions de ce type, soit en standard comme Lightwave ou Mental Ray, soit en plugin comme 3DS Max avec Lightscape. Beaucoup de studios ont testé ces techniques, voire ont commencé à les utiliser parcimonieusement, et pensent les pouvoir les intégrer à plus grande échelle dans leurs productions d'ici à quelques mois.

Une autre technique qui se développe est le HDRI (High Dynamic Range Imagery), nécessaire pour l'obtention des informations de radiance utilisées lors d'un calcul d'illumination globale. L'idée est venue d'un constat simple, les images informatiques classiques ont une dynamique largement insuffisante pour stocker les différences d'illumination qui environnent un objet. En effet, si ces images savent coder seize millions de couleurs, le nombre de valeurs de gris disponible n'est que de 256. C'est trop limitatif. La technique HDRI utilise un algorithme qui permet de stocker, dans des formats d'images classiques, un contraste allant jusqu'à un pour cent mille. Diverses méthodes ont été mises au point pour analyser l'environnement réel d'un objet et en reconstituer un fichier HDRI.

Renderman concurrencé

Aussi, un outil de rendering renommé mais pauvre en modèles d'illumination complexes comme Renderman se trouve concurrencé par des moteurs compatibles avec son format de scène .RIB. Ces derniers offrent non seulement des modèles d'illumination plus réalistes, mais sont en plus moins chers à l'achat. C'est le cas, par exemple, d'Entropy d'Exluna, qui a repris les qualités photo-réalistes de BMRT (Blue Moon Rendering Tools), distribué gratuitement depuis 1994. Entropy est utilisable soit avec les logiciels qui exportent des scènes au format .RIB, soit en plugin de 3DS Max. La licence est vendue 2250$ contre 5000$ pour PRMan (module de rendering de Renderman). En Angleterre par exemple, des studios spécialisés dans les effets spéciaux comme Cinesite ou Moving Picture Compagny utilisent Entropy. Cette situation a conduit Pixar à réagir. La version 11 de Prman, qui est sortie en Beta cet été, est prévue en commercialisation avant la fin de l'année. Elle inclut enfin le ray-tracing et l'illumination globale.

De manière générale, tirant parti de ces nouvelles potentialités, de très nombreux moteurs de rendering ont vu le jour récemment, ce qui est symptomatique d'une période de forte évolution. Parmi les connus se trouvent Brazil de la société Splutterfish créée par deux anciens de Blur Studio, Messiah qui comporte un module de rendering, Messiah:render, (ex Arnold), qui a su donné un nouveau style à la radiosité, ou encore JIG de Steamboat Software, qui, axé à l'origine sur la visualisation réaliste d'objets très fins, comme les cheveux et la fourrures, est maintenant un moteur de rendering généraliste.
 
Une révolution en marche

Si les logiciels de rendering ont largement bénéficié des puissances accrues des processeurs qui rendent utilisables des algorithmes en temps de calcul, une autre révolution se prépare, toute aussi importante. Les processeurs graphiques, comme les processeurs de calculs, voient leurs puissances doubler tous les six mois. Comme ils sont dédiés aux calculs graphiques, ils peuvent prendre en charge directement tout ou partie des tâches de rendering. Certains logiciels ont d'ailleurs déjà sauté le pas en proposant un rendering entièrement hardware, comme "Orchestra" de Bionatics, ou encore Paint FX. Mais la vraie révolution se prépare avec l'arrivée d'une nouvelle génération de processeurs graphiques programmables.

3Dlabs et nVIDIA ont annoncé l'arrivée de processeurs graphiques très performants. David Kirk, directeur scientifique chez nVIDIA, prédit que : "d'ici un ou deux ans, grâce à un langage de programmation de très haut niveau, les GPUS  (processeurs graphiques programmables) vont savoir traiter tous les algorithmes graphiques connus dont beaucoup en temps réel." La stratégie de nVIDIA est de partir d'un langage haut niveau propriétaire, le CG shader, compatible avec tous les GPUs qui supportent DirectX8 et OpenGL 1.4. La société anglaise 3Dlabs, de son côté, sort d'ici la fin de l'année une nouvelle gamme de cartes graphiques, les VP (pour "Visual Processor") à base de nouveaux processeurs programmables (voir dossier dans ce numéro). Nul doute que la qualité des images produites va encore très fortement s'enrichir si ces produits donnent les résultats escomptés. Imaginons que les algorithmes de fourrure, de radiosité ou de lumière volumique deviennent calculables sur hardware en dix fois ou mille fois moins de temps que actuellement. Voici une nouvelle révolution à suivre de très près…

Pour en savoir plus :

Sasquatch / Worley : www.worley.com
Shave & Haircut / Joe Alter : www.joealter.com
Shag:Hair  / Digimation : www.digimation.com
Figaro / Phoenix Tools : www.phoenixtools.com
Renderman / Pixar : www.pixar.com
BMRT / Exluna : www.bmrt.org
Entropy / Exluna : www.exluna.com
Brazil / Splutterfish : www.splutterfish.com
Messiah  : www.projectmessiah.com
JIG / Steamboat Software : www.steamboat-software.com
nVIDIA : www.nvidia.com
3Dlabs : www.3dlabs.com

© Septembre 2002 François Ploye et Pixel SA