Le Ray Tracing reproduit les phénomènes physiques de réflexion et de réfraction, ce qui permet d’obtenir d’excellents résultats dans la génération d’images de synthèse où des éléments se reflètent dans l'eau. Le ray tracing est très utilisé en architecture. © Stéphane Masclaux, Adobe Stock© Gilles Tran, Wikimedia Commons, Domaine public
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Ray Tracing : qu'est-ce que c'est ?

DéfinitionClassé sous :Informatique , infographie 3D , ray tracing

Ray tracing signifie en français « traçage de rayon ». Le Ray Tracing est une méthode de calcul d'optique utilisée en informatique. En infographie 3D, le ray tracing est une technique de modélisation du transport de la lumière utilisée pour générer des images numériques.

Dans la nature, la lumière part d'une source, rebondit sur les objets et finit dans l'œil qui voit ainsi les objets. La lumière peut être réfléchie, réfractée, diffusée ou absorbée. Dans un univers 3D, le ray tracing consiste à parcourir le chemin inverse. Les rayons partent de la caméra (l'« œil » de l'infographie 3D), rebondissent sur les objets et remontent à la source lumineuse. Ainsi, seuls les rayons vus par la caméra sont calculés, économisant des ressources.

L'idée derrière le ray tracing remonte à plusieurs siècles, on en attribue d'ailleurs l'invention à l'artiste allemand Albrecht Dürer et sa machine à perspectives. La première utilisation d'un ordinateur date de 1968. Mais c'est le travail de Turner Whitted dans les années 1970 qui a permis plus tard à l'imagerie générée par ordinateur d'être fidèle à la réalité grâce au ray tracing. Nécessitant une puissance de calcul importante, ce n'est que récemment que l'on a pu voir cette technologie apparaître sur des consoles de jeux ou des cartes graphiques pour PC.

Le ray tracing consiste à remonter les rayons lumineux vers la source. © cjr5270, CC PDM 1.0

À quoi sert le ray tracing ?

Le ray tracing permet de rendre la luminosité d'une infographie 3D plus logique, plus réaliste. C'est une manière de simuler physiquement la lumière. Le ray tracing est utilisé dans plusieurs domaines créatifs utilisant des ordinateurs.

  • Dans les jeux vidéo

Dans les jeux vidéo, le ray tracing permet de calculer le comportement complexe de la lumière en direct de manière fidèle et automatique. Un jeu vidéo paraît alors plus beau et plus réaliste. Il est notamment utilisé par les jeux de consoles de nouvelle génération.

  • Dans l’animation

Le ray tracing peut être utilisé pour ajouter des effets tels que la réflexion et l'ombrage, souvent difficiles et longs à produire pour des artistes traditionnels. Il est également capable de rendre des images photoréalistes.

  • En architecture

Les architectes utilisent aujourd'hui le ray tracing pour créer des rendus réalistes. Certains programmes permettent de modifier cette lumière. On peut par exemple simuler la lumière dans une pièce à différentes heures de la journée.

  • Au théâtre et au cinéma

Le ray tracing peut être utilisé par des réalisateurs, metteurs en scène et concepteurs de décors et d'éclairages de théâtre et de cinéma pour créer des éclairages complexes avant le début d'une production.

  • En ingénierie

Le ray tracing est utilisé par les ingénieurs en mécanique, les concepteurs d'éclairage et les chercheurs en énergie solaire pour prévoir les niveaux d'éclairement, les gradients de luminance et les critères de performance visuelle. Cela permet d'analyser la distribution et la directionnalité de la lumière et d'étudier le transfert de chaleur par rayonnement. C'est notamment utile pour les applications aérospatiales.

 Les images générées avec le ray tracing peuvent créer des images réalistes et simulent au mieux les reflets. © Gilles Tran, Wikimedia Commons, Domaine public

Comment fonctionne le ray tracing ?

Le ray tracing est un algorithme particulièrement complexe. Il permet de construire une image en étendant les rayons dans une scène et en les faisant rebondir sur les surfaces et vers les sources de lumière. Il repose sur une simulation réaliste du transport de la lumière, par rapport à d'autres méthodes de rendu, comme la rastérisation, qui se concentre davantage sur la simulation réaliste de la géométrie que sur celle de la lumière, obligeant à ajouter divers effets de lumière. Les effets de réflexion, de réfraction et d'ombre sont au contraire un résultat naturel du ray tracing.

Le rayon primaire partant de la caméra reconstruit l'image. Lorsqu'un rayon frappe une surface, des rayons secondaires peuvent être projetés selon le type de la surface (appelé traçage récursif) :

  • un rayon de réflexion frappe l'objet le plus proche pour qu'il soit vu ;
  • un rayon de réfraction traverse un matériau transparent et dévie ;
  • un rayon d'ombre tracé vers chaque source lumineuse permet de déterminer si une surface reçoit de la lumière d'une source ou de l'ombre depuis un objet intermédiaire.

D'autres technologies sont utilisées en complément du ray tracing, comme le denoising ou le photon mapping.

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