1 - 04/10/2013 – 3DWeave.com

L’image de synthèse 3D expliquée

Qu’est-ce que c’est ? L’image de synthèse, qu’on appelle parfois 3D, est une image calculée par un ordinateur avec un

programme dédié, un logiciel d’image de synthèse, justement.

Ces logiciels complexes, dont souvent seule la partie la plus aisée est visible, simplifiée et enrobée

dans une jolie interface, nécessite des essais nombreux, un savoir-faire pluridisciplinaire et pas mal

d’astuces pour arriver à rendre des images de plus en plus réalistes dans un temps de plus en plus

court.

La complexité est telle que l’opérateur qui crée des images de synthèse, l’infographiste 3D, n’est

absolument pas la personne qui a programmé le logiciel d’image de synthèse. L’idée reçue selon

laquelle un graphiste 3D est un programmeur/mathématicien est donc complètement fausse ! De

même, aucun programmeur ne peut prétendre créer tout seul un logiciel d’image de synthèse entier,

tant ceux ci sont devenus complexes, et nécessitent une expertise et un savoir-faire dans des

domaines très différents.

L’interface d’un logiciel de 3D généraliste, ici Cinema4D R15. 4 vues « éditeur », une arborescence

d’objet et une fenêtre de rendu (en bas à droite).

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L’offre logicielle Les logiciels de 3D sont très variés, comportent de nombreuses versions, extensions et modules

(plugins), ce qui crée une offre abondante, dans lequel il est toujours difficile de se retrouver. A

l’inverse de la 2D où par exemple Photoshop est le standard de fait, la 3D comporte un trio de ténors

auxquels s’ajoutent des challengers et des logiciels ultra-spécialisés. Dans le domaine de la CAO,

c'est-à-dire plutôt le côté « architecture et ingénierie », on peut citer AutoCAD, ArchiCAD, Catia et

Vectorworks. Dans le design produit en général, Rhino. En 3D généraliste, Cinema4D a détrôné pas

mal de concurrents comme Lightwave, mais 3DStudio/3DSMax reste le plus connu. Maya/Softimage

conserve une place dans le cœur des professionnels du Cinéma malgré ses nombreux rachats et

absorptions. Enfin le logiciel libre Blender a réalisé une percée remarquable. La bonne nouvelle est

que grâce à cette concurrence, la plupart des logiciels sont disponibles dans des versions d’essai

gratuites ou des versions « étudiant », et que les prix ont chuté par rapport à l’époque historique de

la 3D ou les machines comme les logiciels 3D étaient quasiment inabordables aux particuliers.

Comment on procède ? Grosso-modo, en 5 étapes :

Modélisation, texture, éclairage, animation et rendu.

A droite, la modélisation du chapeau (polygones bleus, points en oranges) ; à gauche un extrait des

textures utilisées (on reconnait l’œil vert, le motif du haut, la trame noire des bas…)

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La modélisation Les volumes sont modélisés dans l’espace virtuel 3D. C’est comme si en plus de tracer un plan sur

deux axes comme sur une feuille de papier, on élevait ce plan à la verticale. C’est l’étape de

modélisation.

Tout est créé non pas en entrant des coordonnées X,Y,Z, ce serait ingérable, mais à partir d’outils

simples, pouvant se conjuguer entre eux pour créer des formes de plus en plus complexes. On peut

tout faire, d’une simple forme géométrique à un visage ou une voiture. Les outils pour modéliser

sont très variés, selon la forme et les besoins. Cependant, au final, on aura que des polygones à 3,4

ou de nombreux côtés (ngones), et impérativement plats dans l’espace.

Par exemple, les booléens sont des outils permettant de fusionner et trouer des objets.

Une série de sphères qui trouent un parralépipède donne un morceau d’emmental.

La ligne « rouge » composée de 8 points (en orange) est extrudée dans le sens de la flèche bleue (Z) pour

donner la forme pleine de la voiture. Les roues se composent de deux cylindres imbriqués..

Les extrusions prennent une forme vectorielle et en font un volume. Ainsi la découpe d’une forme

ou d’un texte devient un panneau en 3D. Cette extrusion peut elle aussi se dessiner dans l’espace.

Prenez un cercle extrudé le long d’une spirale et vous aurez un ressort !

Contrairement à une idée reçue, on modélise très peu depuis des photos ou des plans ou en

« scannant en 3D » un objet réel. Le nombre de points obtenus ainsi et leur structure (maillage) ne

permet pas de les utiliser rapidement. Il faut encore passer par l’humain !

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Dans cet éditeur, les plans 2D ne servent que de référence pour modéliser (modelling box).

La texture Ensuite, il faut « texturer ». En 3D, la couleur seule ne suffit pas, le réalisme vient aussi des matières.

Un pull rouge n’est pas comme un mug rouge ou un verre rouge, il y’a d’autres paramètres qui

rentrent en jeu, comme la réflexion, la spécularité (la façon dont un objet prend la lumière) ou la

diffusion. Il existe aussi des façons d’altérer le côté trop lisse ou même la géométrie de l’objet avec

des canaux spéciaux comme le relief (bump), les normales ou le déplacement. Pour simuler certains

effets, les shaders (des éléments de programmation interne au logiciel) imitent par exemple :

- Les nœuds du bois - Les carrelages et dalles - Les motifs répétitifs (nid d’abeille, carreaux, tuiles) - L’irisation en arc-en-ciel ou l’anisotropie des métaux brossés.

A gauche, un rendu de maison avec une seule texture. A droite, quelques exemples de textures.

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Au niveau modélisation 3D, ce n’est qu’une sphère, par contre la texture est très travaillée.

Enfin, on utilise aussi des photos spécialisées, qui sont « faites » pour la 3D : des images de texture

qui se répètent parfaitement (tiles), des mappings d’environnements (images qui simulent ce qu’il y

a autour à 360°) et même des images qui comportent des informations de lumière (HDRI) qui sont

utilisée à l’étape suivante : l’éclairage !

L’éclairage Tout ceci ne donne rien sans lumière. De même que la lumière fait les bonnes photos, la lumière en

3D est essentielle. Elle est exprimée par son intensité, sa couleur, la façon dont on rend les ombres

(en les simplifiant), aussi sa zone de diffusion. En 3D, on peut très bien avoir une lumière qui éclaire

partout à 360°, ce qui est bien sûr impossible en réalité. Il faut beaucoup de savoir-faire à ce niveau :

par exemple, un clair de lune donne une teinte bleutée. Pour simuler le soleil, inutile de faire une

lumière à 149 millions de km, ce n’est pas une simulation. Il faut effectivement une lumière distante,

un peu jaune-orangé selon l’heure, et qui projette des rayons parallèles.

Rendu IG sans lumière. Rendu IG travaillé avec 7 lumières !

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En réalité, la lumière a un parcours complexe, on va donc avoir recours à des simplifications pour

simuler ses rebonds (IG) ou sa concentration en un seul point (comme les effets sur la nappe d’un

verre de vin en plein soleil). La façon dont les couleurs vives interagissent (exemple : un rouge vif

bave sur le blanc à côté) peut être aussi simulée (radiosité).

L’animation Généralement, en 3D, l’animation est la transition des valeurs d’un paramètre, sur un temps donné.

Par exemple, si une roue de voiture tourne, elle fait une rotation sur son axe Z de 360°. Si elle doit

faire 3 tours, c’est trois fois 360° soit 1080°. Mais ce mouvement n’est pas forcément linéaire : la

roue peut accélérer ou freiner. Dans ce cas, l’interpolation du mouvement est gérée par des courbes

de contrôles qui permettent d’affiner ces accélérations.

Un certain nombre d’effets, comme la duplication et les répartitions aléatoires dans l’espace,

peuvent être générées par les outils d’animations, même si l’image est fixe (illustration).

Il existe également un ensemble de technique pour gérer des cas particuliers, comme les particules

qui peuvent simuler du sable, des grains, des flocons, bref un grand nombre d’objets au

comportement « groupé ». Il a aussi le cas des foules, des fluides ou des cheveux. Les tissus ont

également leur propre dynamique pour gérer le « tombé » et le drapé du tissu.

Il existe des méthodes qui cherchent à automatiser les mouvements. La simulation physique

dynamique essaie par exemple, avec des valeurs de poids, de gravité et de friction de simuler les

collisions. Ainsi une bille de billard va rentrer en collision avec les bandes du billard et les autres

boules automatiquement. Mais ce qui est facile avec des boules, le sera moins avec un véhicule, dont

la géométrie est plus complexe et se transformera avec la « collision » (choc).

Pour les personnages, la « Motion capture » permet de capturer numériquement les mouvements

complexes d’un comédien et de les retranscrire informatiquement sur une marionnette

informatique. Cette technique gagne en réalisme et en fluidité, mais là encore, elle est coûteuse et

nécessite encore des ajustements manuels.

Cas particulier des personnages et animaux : les articulations. S’il est facile d’animer un objet, il en va

autrement des personnages. En effet, il faut avoir recours au minimum à un système de squelette

d’animation qui va permettre de faire comprendre au logiciel, que par exemple le bras d’un humain

entraîne son avant-bras avec certaines limites.

Des systèmes plus perfectionnés d’articulations

permettent de gérer des muscles pour plus de

réalisme : les muscles se gonflent ou pas selon les

mouvements. Les expressions du visage sont

gérées par morphing entre des expressions clefs

« extrêmes » (peur, surprise, sourire, neutre) qu’il

faut caler « à la main ».

L’exemple parfait, ce calage à la main, sur 7 jours, d’une animation de l’âge de Glace 3. http://vimeo.com/43769992

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Le rendu On appuie sur une touche, et l’ordinateur calcule l’image ! « Ah, si c’était aussi simple ! ». En réalité,

le rendu implique de nombreux paramètres, qui dépendent de la sophistication du moteur de rendu.

Certains moteurs de rendus privilégient la rapidité, d’autre le « temps réel », certains sont hyper

réalistes et se basent sur des simulations des phénomènes physiques sophistiqués pour simuler la

lumières et les couleurs. Enfin, on revient parfois à un rendu très simple, comme le « fil de fer » ou

un rendu qui fait croire à un dessin. Bref, tout un monde !

A droite, la vue dans l’éditeur, à gauche le rendu a calculé des faux-reflets et une ombre simple.

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En quoi ça diffère des autres techniques ? Si aujourd’hui, tout est numérique (la peinture, la photographie), ces mediums restent une action

immédiate de l’homme sur l’image via l’ordinateur. L’image de synthèse est une technique où le

résultat ne se voit pas de suite. Chaque étape du travail est morcelée (pour des raisons techniques et

aussi par la charge de l’ordinateur) et le résultat n’est pas immédiat. Par exemple, si j’augmente la

transparence d’un verre d’eau, il faut recalculer l’image pour voir si l’effet fonctionne. Il y a beaucoup

de paramètres et leurs imbrications dans une scène 3D peut avoir des effets parasites. On n’a pas

autant de problèmes sous PhotoShop ou en photographie. La liberté a un prix : la technicité. Il y a

également un problème éthique : on peut faire passer pour « vrai » et « réaliste » des situations

complètement fausses ou rendre esthétique n’importe quoi, n’importe comment.

Enfin, la 3D doit vraiment être comprise comme la création de « scènes » virtuelles. Il y a donc

potentiellement une infinité d’images possibles, rien qu’en changeant la perspective (comme un

photographe qui pourrait poser son appareil n’importe où, même sous terre ou à 4m du sol sans

contrainte), ou seulement les matières, les lumières ou la forme des objets.

A quoi ça sert ? Les applications de l’image de synthèse sont nombreuses ! On pense immédiatement aux effets

spéciaux, aux habillages pub et TV, voire aux films en 3D (Tron, Pixar, Dreamworks). Puis aux

visualisations d’architecture. Cependant, l’image de synthèse est appropriée dès qu’il s’agit de

montrer un produit avant sa concrétisation : construction, production, etc. Un nouveau packaging ?

La 3d permet de visualiser des variantes sans même fabriquer un prototype ! Un aménagement de

magasin, d’avion ou d’aéroport ? La 3d permet de convaincre les décideurs ou de montrer aux clients

et à la presse. La 3D est également un medium idéal pour expliquer des procédés qui nécessitent une

bonne lisibilité et pédagogie. La 3D ne s’embarrasse pas de problème de point de vue et d’échelle,

elle peut donc facilement passer du microscopique à l’infiniment grand. Elle est idéale également

pour représenter les lieux, gens qu’on ne peut pas filmer pour des raisons de droits (droit à l’image,

marques), confidentialité ou sécurité (ex : l’intérieur d’un réacteur nucléaire).

Quelques liens pour aller plus loin : Deux excellents documentaires sur les prévisualisations 3D au cinéma :

http://vimeo.com/previssociety/postvis

http://vimeo.com/13626387

Le calage à la main, sur 7 jours, d’une animation de l’Âge de Glace 3. http://vimeo.com/43769992

Remerciements et crédits Illustrations 3D : 3DWeave SARL tout droits réservés : http://www.3dweave.com

Logiciel de 3D : Cinema4D.

Rédaction : Stéphane Anquetil, relecture Cynthia Bossart et Gaétan Langlois.

Licence Creative Common : http://creativecommons.org/