Dossier rendering 3D : Un glossaire pour les gouverner tous

Scanline

Une méthode de rendering peu gourmande en calculs, qui consiste à découper la scène en lignes puis en pixels. Elle nécessite une bufférisation en profondeur de la scène (z-buffer). L'éclairage se faisant par pixel individuel, l'illumination des fragments d'objets est locale, due uniquement aux sources lumineuses. Les inter-réflexions entre objets ainsi que les réfractions ne sont donc pas prises en compte.

Lancer de rayons (ray-tracing)

Méthode de rendering par suivi de la trajectoire des rayons lumineux, qui se prête particulièrement bien à la restitution de phénomènes lumineux à haute fréquence, comme les spéculaires, réfractions, caustiques, etc. L'algorithme le plus courant consiste à partir des pixels et à remonter la trajectoire des rayons lumineux jusqu'aux sources lumineuses. C'est le backward ray-tracing. Une deuxième méthode de ray-tracing, statistiques, dite lancer de rayons de Monte-Carlo (distributed ray-tracing), peut aussi être utilisée pour calculer le modèle d'illumination d'une scène.

Illumination Globale

Le terme illumination globale désigne les techniques de calcul des échanges d'énergie lumineuse entre les différents objets d'une scène. Une application typique est la reconstitution d'un décor intérieur. Les deux principales techniques sont la radiosité et la technique du photon mapping associé au lancer de rayons de Monte-Carlo.

Radiosité

Méthode de calcul du modèle d'illumination d'une scène indépendamment de la position caméra. Les échanges d'énergie lumineuse entre les différents objets d'une scène sont calculés en première passe. Il est ensuite possible, dans une deuxième passe, de déplacer la caméra et de calculer de manière très réaliste l'univers ainsi synthétisé soit par ray-tracing, soit par Z-buffer. Les limitations de cette méthode sont la nécessité de recalculer, pour les objets animés, une première passe lourde en calculs. De plus les phénomènes lumineux à haute fréquence, comme les spéculaires, sont mal gérés.

Photon Mapping et Final Gathering

Le photon mapping est un des algorithmes les plus rapides pour calculer l'illumination globale. C'est une technique en deux passes, qui exploite un lancer de rayon statistique, dit de Monte-Carlo (du nom d'une célèbre ville de casinos ou le hasard fait et défait les existences). Dans une première passe, les informations d'éclairage d'un objet sur un autre sont calculées par ray-tracing aléatoire et stockées dans les photon maps. Tirant parti des moteurs de ray-tracing existants, c'est une technique plus rapide que la radiosité, et idéale pour décrire des effets précis comme les zones de concentration de lumière en présence d'une loupe. En revanche, si trop peu de photons sont lancés, des artefacts peuvent être générés.

Dans une seconde passe, le ray-tracing combine les informations données par les sources lumineuses à celles données par les photon maps. C'est l'étape dite du final gathering qui additionne les apports lumineux indirects des différents objets de la scène. Le final gathering n'est pas exclusif à la technique des photon maps et se retrouve dans la plupart des algorithmes d'illumination globale.

HDRI (High Dynamic Range Imagery)

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. Même avec application d'une courbe logarithmique la dynamique stockable n'est que de un pour mille. C'est trop limitatif. La technique HDRI regroupe des formats d'images avec un nombre de bits supérieur, à 10, 12 ou 16 bits (flottant) par composante. Les formats les plus connus sont Radiance, PFM, LogLuv TIFF de SGI et OpenEXR d'ILM. Des algorithmes particuliers sont utilisés pour décomposer l'image en plages lumineuses et ainsi d'élargir la dynamique stockée. Ces techniques une fois appliquées à des images à 8 bits par composante, permettent de stocker un contraste allant jusqu'à un pour cent mille. C'est le LDRI (Low Dynamic Range Imagery). Diverses méthodes ont été mises au point pour analyser l'environnement réel d'un objet et en reconstituer un fichier LDRI ou HDRI. Le principe étant généralement de photographier la même image avec des expositions différentes.

Image-Based Lighting (IBL)

Paul Debevec, de l'Université de Californie du Sud à Los Angeles, a mis au point une méthode pour illuminer une scène virtuelle et des objets en synthèse à partir d'une image des lumières environnants la scène réelle. Cette image panoramique est si possible en HDRI afin de conserver toute la dynamique lumineuse de la scène réelle. Le plus simple pour obtenir cette image, dite light probe, est de placer une sphère métallique polie (donc très réfléchissante), au centre de la scène réelle, et de la photographier. Il existe aussi des caméras panoramiques, dont la SpheroCam HDR de Spheron, qui permet d'acquérir des images panoramiques en HDRI.

Ambient occlusion

Au lieu d'appliquer une lumière ambiante uniforme sur un objet, le principe de l'ambient occlusion est de fabriquer en première passe une texture de projection des objets proches d'un objet donné, qui indique la manière dont la lumière environnante est occultée. Cette texture peut ensuite être appliquée pour atténuer de manière réaliste un éclairage d'environnement. L'ambient occlusion est une méthode d'illumination globale simplifiée, qui peut rendre de grands services.

SubSurface Scattering (SSS)

La simulation de la diffusion de la lumière sous la surface des objets, ou subsurface scattering, permet de représenter des matières telles que le marbre, la cire, les fluides, les pierres précieuses ou semi-précieuses et la peau.

Caustics

Les caustics sont des phénomènes de concentration de lumière dus à la réflection ou réfraction dans un système optique (loupe, verre, vitre) ou un objet réfléchissant qui par sa courbure concentre les rayons lumineux émis par une lampe. Cela est très visible par exemple, dans l'ombre d'un verre. Il apparait généralement une zone dans cette ombre plus éclairée que la lumière ambiante de la pièce, qui présente des formes très caractéristiques. Tout comme l'illumination globale, les caustics sont également calculés d'après la méthode du photon mapping, par lancer de rayons.

Deep shadow maps

C'est une technique qui permet de produire des image de qualité pour des primitives comme les cheveux, la fourrure, les fluides ou la fumée. Contrairement aux maps traditionnelles d'ombres, les deep shadow maps stockent l'ombre à toutes les distances possibles par rapport à l'objet émetteur. Ils fonctionnent donc très bien pour des rendus volumiques d'ombre, par exemple dans le brouillard ou à l'intérieur d'objets semi-transparents.

© Mai 2004 François Ploye et Pixel SA