Les images de synthèses Duprat Anatole

Les images de synthèses consistent en la création assistée par ordinateur, d'images numériques. Il existe différentes techniques de rendus pour créer une image de synthèse, certaine en temps réel et d'autre non temps réel, que nous verrons dans les prochains chapitres. Problématique : Arriverons nous un jour a créer des images de synthèses en temps réel d'une qualité aussi bonne que celle des films d'animation (image pré calculée) ?

I) Introduction. II) Rendu par « Raytracing ». III) Rendu temps réel par « Rastérisation ». IV) Expérience : Raytracer temps réel. V) Conclusion. Plan :

La modélisation La modélisation d'une image de synthèse se passe dans un espace tri dimensionnel (3D) définit par 3 axes : x, y et z.

En partant de ces formes géométriques plutôt simpliste, et avec des méthodes de modélisation que nous n'aborderons pas ici, nous pouvons dessiner toute forme d'objet 3D :

Rendu par « Raytracing »

Introduction Le raytracing est une technique de rendu d'image de synthèse simulant le parcours inverse de la lumière vers la scène. A l'heure actuelle, cette technique est la plus exacte physiquement et produit des résultats très satisfaisant au dépit d'un temps de calcul conséquent qui se compte en heure voir en jour.

La puissance du raytracing RésultatSimple shadow

Ambient Occlusion Soft Shadow

Réflection réfraction

Depth of field (DOF) / Profondeur de champ Avec DOF Sans DOF

Motion Blur/ Flou de mouvement

Radiosity La radiosité est une technique d'illumination globale d'une scène 3D. Elle utilise les formules physiques de transfert radiatif de la lumière entre les différentes surfaces composant la scène. La radiosité permet de produire des éclairages d'un grand réalisme mais souffre d'une grande complexité de calcul.

Le rendu : 37 millions de rayons lancés pour calculer l’éclairage. 5 milliards de rayons lancés pour calculer l’éclairage.

Photon Mapping Cette technique d'illumination globale est a l'heure actuelle la plus réaliste mais aussi la plus coûteuse. Par rapport a la radiosité, elle permet de simuler la réfraction de la lumière à travers une substance transparente (caustique), comme l'eau ou le verre, les interréflections diffuses entre objets éclairés (ce que fait la radiosité), et certains effets volumiques produits par des milieux comme le brouillard ou la fumée.

Le rendu : Scène basique avec illumination directe (soft shadow + phong). Illumination globale via Photon Mapping. 100 Photons. Photon mapping avec brouillard et 4 sources de lumières photons pour l’illumination et photons pour le brouillard

Une image photo-réaliste utilisant de nombreuses techniques de raytracing citées plus haut, notamment le photon mapping.

Rendu temps réel par « Rastérisation »

La 3D par rastérisation est une méthode physiquement inexacte, qui permet de dessiner des polygones en 3D à l'écran. La méthode consiste a multiplier chaque point définissant chaque polygone (face) par une matrice 4x4 dites matrice de projection : cela permet de projeter les points de l'espace 3D sur l'écran en 2D. Une fois les points projetés sur l'écran on peut alors dessiner les faces décrites par leurs points avec une couleur données ou une texture données.

Techniques avancées en 3D par rastérisation - Réflexion / réfraction - Shadow mapping - Motionblur - Depth of field Nous pouvons aussi utiliser ses techniques en 3D par rastérisation malgré quelques contraintes que nous définirons rapidement.

Lightmapping De gauche à droite : scène sans éclairage / lightmap / rendu combiné

Screen Space Ambient Occlusion (SSAO)‏ Facteur SSAO dans une scène

Bump Mapping Il suffit donc simplement de coupler la normal de notre face avec la normal map adéquate pour que la méthode de phong simule un relief.

Crysis – un jeu vidéo utilisant presque toutes les techniques de rendus poussées par rastérisation à l'heure actuelle.

Expérience : Raytracer temps réel. Expérience : Pourrait on créer un raytracer qui serait accéléré matériellement et donc temps réel ? Objectifs visées : Raytracer totalement temps réel. Permet de dessiner des scènes polygonales avec texture et couleur. Une seule source lumineuse possible. Possibilité de réflexion récursive. Illumination directe (phong). Si possible une illumination proche d'une illumination globale (ambient occlusion + soft shadow).

Etape 1 : création de la scène

Le raytracer

Conclusion Raytracing : Avantages : Technique élégante, flexible et logique. Physiquement la plus exacte. Produit des images de grandes qualités. Inconvénients : Calcul très lent car non accéléré matériellement (ou du moins pas assez). Rastérisation : Avantages : Rendu extrêmement rapide grâce a l'accélération matérielle. De plus en plus flexible avec grâce, entre autre, a l'apparition des shaders. Inconvénients : Méthode farfelu, pas élégante et nécessite de plus en plus de bidouilles pour simuler les nouvelles techniques de rendus. Expérience : Avantages : Raytracing accéléré matériellement (GPU). Profite de toute la souplesse du raytracing. Inconvénients : Détournement de l'utilisation de la carte graphique, pour pouvoir effectuer les calculs du raytracing sur cette dernière, ce qui reste peu optimisé.

Conclusion Raytracing temps réel encore trop lent. Les cartes graphiques bien qu'elles peuvent grandement accélérer ce type d'algorithme, ne sont pas encore totalement optimisé pour. Technologie “GPGPU” : - CUDA - OpenCL. Technologie processeur prévu pour la parallélisation : - Larabee/Ion

Conclusion Le raytracing est l'avenir des images de synthèses temps réel comme non temps réel. D'ici 2012, le raytracing temps réel devrait prendre le dessus sur la rastérization.

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