Présentation
Auteur(s)
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Michel LUCAS : Professeur à l’École Centrale de Nantes
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Eric LANGUÉNOU : Maître de conférences à l’Université de Nantes, Institut de Recherche en Informatique de Nantes
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les images de synthèse ont envahi notre univers. De nombreux génériques de télévision sont produits par ordinateur, ainsi que tout ou partie de quelques spots publicitaires. Certains films comportent des séquences dans lesquelles des images de synthèse viennent compléter une image réelle. On sait même, à partir de séquences filmées, créer des acteurs de synthèse qui peuvent peupler des films que l’acteur original n’a pas tournés. Les études d’impact sur l’environnement de la réalisation de tel ou tel ouvrage d’art bénéficient dès maintenant de paysages réalistes produits par ordinateur. Les chirurgiens peuvent s’exercer sur une reconstitution informatique à chercher le meilleur chemin pour une intervention. Les présentations commerciales d’un nouveau modèle de voiture peuvent se faire sur image avant même que le moindre prototype n’ait été construit. L’apprentissage du pilotage d’un nouvel avion se fait couramment sur des simulateurs de vol.
Cette omniprésence est le résultat de plusieurs facteurs :
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les progrès réalisés du point de vue de la technologie des ordinateurs ; des puissances de calcul et de stockage de jour en jour plus grandes sont offertes, qui permettent d’envisager des applications de plus en plus complexes ;
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la maîtrise de plus en plus affirmée sur les procédés de modélisation et de visualisation : en particulier, l’usage massif des modèles physiques (que ce soit pour la modélisation des solides articulés ou pour le calcul des ambiances lumineuses) a fait passer de l’ère pragmatique à l’ère scientifique. Les résultats sont plus proches de la réalité, ce qui leur donne une grande force ;
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les efforts pour proposer aux utilisateurs (artistes, concepteurs, infographistes) des outils graphiques qui soient d’une grande simplicité d’emploi, et proches des modes de pensée de chacun. La plus grande attention apportée à la conception des interfaces entre l’utilisateur et la machine est un facteur déterminant de succès.
La création d’une image de synthèse met en œuvre de nombreuses techniques, appartenant à des champs disciplinaires variés. Pour comprendre les limitations existant aujourd’hui encore, il est souhaitable de connaître les grandes lignes des procédés de calcul employés dans les systèmes de production de telles images. Dans cet article, nous commencerons par décrire l’ensemble des modèles qui sont nécessaires à la création d’une image. Nous évoquerons ensuite les différentes étapes conduisant à la création d’une image réaliste. Enfin, quelques applications de l’image de synthèse seront présentées.
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Présentation
Animation de scènes tridimensionnelles2. Visualisation des scènes tridimensionnelles
2.1 Bases de la visualisation réaliste
Le problème que l’on cherche à résoudre est celui de la présentation d’une scène tridimensionnelle comme vue par un appareil photographique ou par notre système de perception visuelle. Les premiers problèmes qui ont été résolus ont été ceux de la présentation en perspective et l’élimination des lignes cachées : en effet, au départ, on s’intéressait surtout au dessin au trait (figure 9). Avec l’arrivée des consoles permettant d’afficher des images, les algo-rithmes de calcul des surfaces visibles sont apparus.
Le premier pas vers l’illusion de la réalité est franchi lorsque l’on tient compte de la présence d’une source lumineuse. Les objets sont dotés de couleurs dépendant à la fois de la couleur affectée à chaque face et de leur position par rapport à une source lumineuse d’intensité fixée. La couleur originale est modifiée en fonction de l’angle formé par la normale à la facette considérée et la direction où se trouve la source lumineuse (application de la loi de Lambert). Ainsi, les faces pleinement éclairées paraissent plus brillantes que les faces situées dans l’ombre. Ce mode de calcul permet également de tenir compte de la nature de la surface des objets, puisque la lumière n’est pas réfléchie de la même manière par un bloc d’aluminium poli ou de plomb rugueux.
D’autres facteurs interviennent dans le calcul de la couleur qu’il faut affecter à un point. Lorsque l’on traite la transparence, il faut prendre en compte les indices de réfraction des matériaux qui sont traversés et leur degré d’opacité. Ces facteurs affectent à la fois le coloris qu’il faut choisir (la couleur d’une face vue en transparence se combine avec celle de la face traversée) et l’image des objets (la réfraction peut déformer l’image, si par exemple la surface traversée n’est pas plane). La réflexion de la lumière provoque des effets qui viennent interférer avec les sources principales d’illumination et compliquent le calcul des reflets.
On peut encore ajouter le traitement des ombres portées qui viennent recouvrir tout ou partie d’un objet. Le calcul des ombres portées est souvent réalisé en deux temps. On calcule une première image de manière habituelle, à partir du point de vue de l’observateur....
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