La synthèse d'images tridimensionnelles, souvent appelée infographie tridimensionnelle ou infographie 3D (3D pour trois dimensions : x, y, z, les trois axes qui constituent le repère orthonormé de la géométrie dans l'espace), est un ensemble de techniques notamment issues de la CAO qui permet la représentation d'objets en perspective sur un écran d'ordinateur. Elle est actuellement très utilisée en art numérique dans l'industrie du film, initiée par les studios Pixar, Disney, DreamWorks, Blue Sky, Illumination et ILM et, . Il convient de ne pas faire la confusion avec les termes 3D relatifs au relief ou à la stéréoscopie.
Histoire La dénomination images tridimensionnelles est le nouveau nom donné à ce qu'on appelait dessin ou peinture en perspective depuis la Renaissance. Voici un exemple de vue perspective . Certains peintres s'aident du perspectographe, première machine à dessiner en 3D, pour leurs compositions picturales.
La différence est que, avant l'apparition des ordinateurs, la perspective était obtenue par des méthodes graphiques dérivées directement de la géométrie projective. Actuellement, les dessins sont calculés numériquement en partant des données numériques tridimensionnelles. Ceci permet de changer facilement le centre de projection et ses différents paramètres. En particulier, on peut calculer des séries de projections en déplaçant le point de projection et réaliser ainsi des animations.
Les images de synthèse informatiques actuelles reposent sur les mêmes principes de projection sur un plan et sont indissociables de l'histoire de l'informatique. Les images de synthèse ont débuté au début des années 1950, aux États-Unis, et étaient réservées à la recherche, notamment universitaire. On construisit un système composé d'un tube cathodique et d'un crayon optique, d'après une idée de Ivan Sutherland, du Massachusetts Institute of Technology (MIT), pour le contrôle aérien de l'armée de l'air, puis en 1961 on ajouta sur l'écran une croix pour indiquer la position du crayon optique. On pratiquait alors de l'image 2D, puis de l'image 3D, plus coûteuse en temps de calcul et financièrement.
Puis les universités se servirent également des images tridimensionnelles, et en 1967, l'université d'Utah se spécialisa dans ce domaine, en particulier les professeurs David C. Evans et Ivan Sutherland, qui essayèrent de modéliser divers objets tels que la voiture d’Ivan Sutherland, et qui fonderont en 1968 la société Evans & Sutherland. Puis en 1970, Xerox créa le PARC (Palo Alto Research Center), qui travaillera très librement, car sans objectifs commerciaux ; il en sortira de nombreuses découvertes que Xerox ne saura pas exploiter. En 1975 fut créée une des plus célèbres images de l'infographie, la théière, devenue depuis un objet classique de test pour les applications 3D. La théière qui a servi de modèle repose maintenant au Boston Computer Museum, près d'un ordinateur qui reproduit son image en trois dimensions.
Jusqu'aux années 1980, peu de personnes abordaient ce domaine en raison des coûts du matériel. Mais l'apparition des ordinateurs personnels, comme le Xerox Star, l'IBM-PC en 1981, et l'Apple Macintosh en 1984, ont démocratisé l'utilisation de la 3D pour l'étude et la production… L'évolution de la technologie aboutit à de superbes simulations de navettes ou de fusées par la NASA, ou de paysages et de visages.
Mais c'est à partir des années 1990 que l'image de synthèse et la 3D se démocratisèrent et se développèrent de façon importante, avec notamment l'arrivée de matériels plus puissants permettant le temps réel, comme des cartes 3D chez Silicon Graphics sur des stations de travail haut de gamme puis plus tard dans les ordinateurs grand public Amiga et PC avec des cartes 3D comme la 3dfx ou dans les consoles de jeux comme la PlayStation, la Dreamcast. Depuis, l'accélération 3D est partie intégrante des matériels informatiques.
Généralités La synthèse d'image tridimensionnelles fait appel à un espace vectoriel. Cet espace est décomposé en trois dimensions sur les axes cartésiens, nommés habituellement X, Y et Z.
Prenons, dans une pièce, un point de référence, et définissons des directions gauche-droite (X), avant-arrière (Y) et haut-bas (Z). Pour aller de l'origine à un point donné, il faut faire : x mètres vers la droite ; y mètres vers l'avant ; z mètres vers le haut. Si l'on peut permuter l'ordre dans lequel on peut faire le déplacement, cette combinaison (x, y, z) est unique : un point de la pièce est représenté par un triplet unique, et un triplet représente un seul point de la pièce (voir Repérage dans le plan et dans l'espace, Système de coordonnées cartésiennes et Géométrie analytique). Ce triplet de valeurs s'appelle les coordonnées du point.
Le point de référence est appelé « l'origine » et se note habituellement O, il correspond au triplet (0, 0, 0).
Se déplacer d'une valeur a à gauche équivaut à se déplacer d'une valeur −a à droite. Reculer d'une valeur b équivaut à avancer de −b. Descendre d'une valeur c équivaut à monter de −c. (Voir l'article Nombre entier relatif).
Prenons maintenant un volume simple, un polyèdre. Ce polyèdre peut être défini par les coordonnées de ses sommets. Par la donnée d'une série de valeurs [ (x1, y1, z1) ; (x2, y2, z2) ; … ; (xn, yn, zn) ], on définit ce volume.
Prenons par exemple les huit points : (-4, -4, -4) ; (-4, -4, 4) ; (-4, 4, -4) ; (-4, 4, 4) ; (4, -4, -4) ; (4, -4, 4) ; (4, 4, -4) ; (4, 4, 4). Ces huit points définissent les sommets d'un cube dont l'arête a une longueur 8, et dont le centre est en O.
On a ainsi représenté un cube par un ensemble de valeurs. Cet espace est également appelé une matrice tridimensionnelle ou « virtuelle » dans le monde de l'imagerie 3D.
Techniques La synthèse d'image 3D se décompose essentiellement en deux étapes : modéliser ce que l'on veut visualiser ou représenter. Cette étape est appelée modélisation ; effectuer la visualisation de ce que l'on a modélisé. Cette étape est appelée rendu. Dans chacune de ces étapes, un grand nombre de techniques existent. Bien que théoriquement les techniques de modélisation et de rendu soient indépendantes, il va de soi que le rendu doit pouvoir exploiter les données modélisées et bien souvent une technique de modélisation est étroitement associée avec une technique de rendu.
Modélisation La modélisation va consister à faire stocker par l'ordinateur un ensemble de données géométriques et de caractéristiques graphiques permettant de représenter ensuite le modèle. Ce modèle est habituellement appelé scène 3D, d'après l'anglais scene qui signifie « vue », on dira donc « vue 3D ». Voir l'article dédié pour plus d'informations :
Types de modélisation CSG (Constructive Solid Geometry, géométrie constructive des solides) : les objets sont définis par des opérations (unions, intersections…) sur des formes géométriques dans l'espace (polyèdres, sphères, cônes, courbes de Bézier, splines, NURBS…). Cette méthode est bien adaptée pour la création ex nihilo, puisqu'elle correspond bien à la façon dont l'esprit humain se représente la forme des objets. B-Rep (Boundary Representation, représentation par frontières) : la surface de chacun des objets est limitée par des formes géométriques 2D (généralement des triangles). C'est le format naturel de sortie des scanners 3D qui mesurent les cotes de points à la surface des objets. C'est aussi la représentation généralement utilisée par les dispositifs d'affichage accélérés pour la 3D. Splines, où les surfaces sont décrites par des courbes formant un treillis. Surfaces implicites, où les objets à représenter sont décrits par des surfaces joignant des volumes, le plus souvent des sphères. Voxels, reprenant en 3D l'analogie des images numériques où l'espace est divisé en intervalles réguliers.
Logiciels de modélisation Le processus de modélisation peut être soit automatique comme pour un scanner tridimensionnel, où un programme va créer une représentation informatique à partir d'un objet réel du monde, soit manuel à l'aide d'un logiciel d'édition 3D. Dans ce dernier cas, un infographiste est responsable de la création du modèle. Ces logiciels sont appelés modeleurs d'après l'anglais modeler.
Parmi les logiciels les plus connus et les plus répandus se trouvent 3D Studio Max, Maya, XSI, LightWave, Cinema 4D, 3D Turbo, Modo et le logiciel open source, Blender.
Rendu Le rendu se décompose à son tour en plusieurs phases : calcul de l'éclairage (on parle d'illumination) ; projection dans le plan d'observation ; dessin à proprement parler avec application éventuelle de textures. Il arrive que certaines de ces phases soient réalisées en même temps (dans les cartes 3D par exemple)
Moteur de rendu 3D Le rendu est une phase qui consiste à transformer l'espace 3D en une image 2D. Le rendu est généré par un/des programme(s) qu'on appelle moteur de rendu 3D, intégré(s) ou non au logiciel de modélisation.
Illumination
Illumination locale : Illumination face par face : La normale de la face est calculée en fonction de la position de ses sommets dans l'espace. À partir de cette normale, et des propriétés de la surface, on additionne la lumière ambiante, ainsi que la réflexion (diffuse et spéculaire) des lumières projetées par les sources lumineuses. Cela permet d'avoir un rendu relativement réaliste avec peu de calcul. Il est possible d'augmenter à certains endroits les faces pour un rendu plus précis. L'algorithme d'ombrage de Gouraud est une méthode de rendu très simplifiée puisqu'elle consiste à calculer les normales aux sommets d'un polyèdre (un triangle est généralement utilisé, parfois un polyèdre à quatre sommets) en fonction de ses voisins, on calcule ensuite la lumière en ces sommets en fonction de cette normale. Enfin, ces caractéristiques lumineuses sont interpolées pixel par pixel, sur la face du polyèdre : Il s'agit donc de l'interpolation de la lumière calculée en ses sommets ;
L'algorithme d'ombrage de Phong permet d'avoir une mise en volume plus précise que Gouraud. Comme pour Gouraud, les normales sont calculées au sommets du polyèdre en fonction de ses voisins, mais ce sont les normales qui sont interpolées à chacun des points. La normale interpolée résultante à chaque point est utilisée pour recalculer la lumière, avec les mêmes critères. Le rendu est donc plus précis que Gouraud mais demande également plus de calculs, mais moins que si les normales étaient calculées en chaque point. Si le nombre de faces est très élevé, les deux méthodes donnent des résultats proches, mais avec très peu de faces, le résultat de Phong est plus réaliste. Illumination globale :
La radiosité (ou radiance) calcule les échanges d'énergie lumineuse entre éléments de surface de la scène en tenant compte de leurs propriétés de réflexion et d'absorption. Cela nécessite de décomposer la scène en éléments finis de surface. Cela permet des éclairages naturellement doux. Cette technique associée au lancer de rayons et à d'autres voisines permettant les inter-réflexions est une technique d'illumination globale.
Projection Les objets ainsi définis par des nombres peuvent ensuite être dessinés sur un écran ; les triplets de valeurs (x, y, z) sont transformés en points du dessin. Ce rendu utilise généralement la technique de perspective linéaire : plus l'objet est loin, plus il est dessiné petit ; ce procédé est parfois qualifié de « vraie 3D » ou de « vision naturelle ».