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Images de synthèse : des progrès... dans le brouillard

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A l'aide d'un algorithme bien conçu, une équipe américaine propose une méthode plus efficace pour simuler l'effet de l'éclairage, en particulier en atmosphère chargée d'humidité, diffusant la lumière. Une promesse d'un meilleur réalisme dans les jeux vidéo.

La lumière solaire pénètre dans l'antre humide d'une grotte. © W. Jarosz, H. Wann Jensen, M. Zwicker/UCSD

Une machine à brouillard : c'est ainsi que l'on pourrait baptiser l'innovation de trois informaticiens de l'université de San Diego (UCSD), Wojciech Jarosz (à prononcer Voille-tek Yaros), Henrik Wann Jensen et Matthias Zwicker. Il ne s'agit pas d'un appareil mais d'un algorithme, servant à calculer la diffusion de la lumière pour construire une image de synthèse. Il est actuellement présenté à Eurographics 2008 (la conférence annuelle de la European Association for Computer Graphics) qui se tient à Hersonissos, en Crète.

L'équipe travaille depuis quelque temps sur ce sujet et a abordé le problème d'une manière originale. La méthode classique utilise le « lancer de rayons ». Pour déterminer comment les objets d'une scène sont éclairés, le logiciel prend en compte des rayons partant de l'œil de l'observateur (qui sera le point de vue du joueur), donc de direction inverse à ceux de la lumière. Au point de contact avec un objet, le logiciel détermine comment ce faux rayon serait réfléchi ou absorbé, en considérant l'angle d'attaque et le pouvoir de réflexion de la surface. De ce point, il faut alors faire partir d'autres pseudo-rayons pour déterminer les sources de lumière qui l'éclairent.

Cette façon de procéder limite les calculs aux faces visibles des objets. Réduire la difficulté du traitement est en effet un souci majeur pour la création d'images de synthèse. Lorsque nos ordinateurs seront mille fois ou un million de fois plus rapides, peut-être sera-t-il possible d'adopter des principes plus simples. Mais aujourd'hui, les spécialistes des images de synthèse doivent imaginer des stratégies subtiles pour faciliter le travail informatique. L'équipe de l'UCSD a repris le principe du lancer de rayons mais en l'améliorant considérablement dans le domaine où il peine le plus : quand l'atmosphère est diffusante, autrement dit humide. Dans ce cas, l'ordinateur bute sur chaque pixel de la trajectoire, contraint de calculer la diffusion de la lumière à cet endroit précis. Dévoreuse de puissance, cette stratégie pointilliste épuise le processeur à la moindre brume.

Le test présenté à Eurographics 2008. Les deux images ont été obtenues sur le même ordinateur avec le même temps de calcul. En bas, le logiciel a utilisé la classique méthode du lancer de rayons. En haut, le nouvel algorithme démontre son incontestable supériorité. © W. Jarosz, H. Wann Jensen, M. Zwicker/UCSD

Calculer un rayon entier en une seule opération

Les trois chercheurs ont mis au point une variante de la méthode classique, dite de cartographie volumétrique des photons (volumetric photon mapping), une technique utilisée pour déterminer les grains de lumière (virtuels bien sûr) affectés par la diffusion. Cette reformulation considère en une seule opération la diffusion de tout le rayon lumineux. Cet algorithme simplifie donc considérablement les calculs. Ceux de nos lecteurs qui voudraient en savoir davantage (et que n'effraient pas les intégrales quadruples) pourront consulter le document de dix pages décrivant la technique du photon mapping, téléchargeable sous forme d'un fichier au format PDF (15,9 Mo).

Cette méthode peut être utilisée dans de nombreuses situations, pour simuler le brouillard ou la fumée mais aussi des textures dont les propriétés s'en rapprochent, comme le lait, la peau ou les feuilles des plantes. Un meilleur réalisme est donc à la portée des créateurs d'images de synthèse. Toutefois Wojciech Jarosz lui-même ajoute que le réalisme n'est pas toujours le but recherché dans ce genre de création où l'artiste joue avec les objets ou la lumière d'une manière souvent cavalière.

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