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Effets spéciaux et intelligence artificielle

Dossier - Cinéma d'animation : les techniques des plus grands films
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Après la grande époque du dessin animé et des cartoons, le cinéma d’animation serait-il entré dans une nouvelle ère ? Depuis quelques années, une vague de films d’animation en images de synthèse déferle dans les salles obscures, dépassant même ceux en prises de vues réelles au box-office. Que se cache-t-il derrière ce succès ? Quelles technologies ont donné au cinéma d’animation le visage qu’il possède aujourd’hui ?

  
DossiersCinéma d'animation : les techniques des plus grands films
 

Cela fait déjà longtemps que l'intelligence artificielle figure au casting des films. L'intrigue tourne autour d'elle dans des films comme Terminator (1985) ou Transcendance (2014). Mais quel rôle joue-t-elle derrière l'écran ?

L’intelligence artificielle (IA) a déjà beaucoup d'expérience au cinéma. Elle joue généralement le rôle du robot fidèle obéissant au héros (les robots de Star Wars, par exemple), du méchant voulant détruire l'humanité, comme dans Transcendance (2014), ou bien les deux à la fois : la technologie créée pour servir se retourne contre ses maîtres... Les exemples ne manquent pas : Terminator (1985), Matrix (1999), I, Robot (2004), etc.

Mais quand elle ne cherche pas à détruire le monde dans les œuvres de fiction, l'IA peut aider les êtres humains dans les coulisses à créer les images de synthèse et les effets spéciaux des films. Pour l'instant, son utilisation reste toutefois très « anecdotique », prévient Thierry Brionnet, directeur pédagogique Cinéma 3D-FX et Music & Sound Design Isart Digital« La seule chose dans laquelle elle sert, c'est la gestion des foules. Les moteurs de foule ne sont pas forcément utilisés dans tous les films », précise-t-il, « mais c'est de plus en plus le cas. »

Les machines dotées d’une intelligence artificielle pourront-elles un jour créer les effets spéciaux du cinéma, voire réaliser du début jusqu’à la fin un film en images de synthèse ? © sujins, Pixabay, DP

La simulation des foules

La simulation des foules consiste à modéliser le comportement de groupes constitués de multiples individus appelés agents.Les agents sont dits autonomes, car ils peuvent percevoir leur environnement et réagir en fonction de lui pour accomplir en toute indépendance la tâche qu'on leur a attribuée. Dans le cadre d'une simulation par ordinateur, les agents sont des systèmes informatiques modélisés par des objets en deux ou trois dimensions, reproduits en masse et évoluant dans un monde virtuel. Dans le monde réel, il peut cependant s'agir de robots que l'on confronte à une sorte de parcours d'obstacles.

Au départ, les agents n'étaient pas forcément dotés d'une IA. La simulation des foules s'est d'abord beaucoup inspirée de l'éthologie (étude du comportement des animaux dans leur environnement)  et des recherches en vie artificielle pour créer des agents autonomes capables de réagir, s'adapter et apprendre de leurs expériences passées. D'ailleurs, les premiers systèmes multi-agents, apparus dès les années 1980, sont utilisés pour simuler des bancs de poissons ou des volées d'oiseaux.

Les agents autonomes constituent les armées et les foules

Pour imiter le comportement imprévisible, spontané et fluide des êtres vivants, les agents autonomes sont considérés individuellement au lieu d'être gouvernés par une intelligence de groupe. Ils possèdent une palette de plusieurs méthodes ou réactions, dites redondantes, dans laquelle ils peuvent piocher pour accomplir la même tâche, de sorte qu'ils puissent tester une méthode alternative si l'une ne marche pas. La cohésion du groupe résulte de la capacité des agents à réagir aux interactions avec leur environnement et à communiquer entre eux.

Plus tard, les outils de simulation des foules ont commencé à intégrer un réseau neuronal aux agents pour générer leur comportement. C'est ce que fait Massive (Multiple Agent Simulation System in Virtual Environment), le plus célèbre des logiciels de simulation de foules. Élaboré à partir de 1996 par Stephen Regelous pour simuler les armées dans les scènes de batailles de la trilogie Le Seigneur des anneaux (2001-2003), Massive a depuis conquis le monde du cinéma. Les bataillons de robots dans I, Robot (2004) ou encore les armées d'Avatar (2009) ont été créés grâce à lui. Les films d'animation ont su également tirer parti de cette technologie, comme Ratatouille (2007) et Wall-E (2008), dans lesquels Massive a servi respectivement à simuler des cohortes de rats et des foules constituées d'humains et de robots.

La simulation d’une foule de passants dans un quartier de Londres sur Massive. La vidéo est ici. © Paul Donnellan, Wikimedia Commons, CC by 3.0

Au-delà du comportement, le réalisme d'une foule dépend également de l'apparence des agents, qui en général doivent tous être uniques. Pour faire varier les agents, on peut leur attribuer des textures, des tailles et des morphologies différentes. Certaines scènes peuvent toutefois se satisfaire d'agents identiques, comme dans I, Robot où tous les robots se ressemblent.

Suite au succès foudroyant de Massive, d'autres logiciels concurrents ont été développés, tel Alice, utilisé dans Troie (2004) et Robin des Bois (2010). Ces outils ont pour but de simuler des foules réalistes pour remplacer des figurants humains que l'on devrait autrement compter par centaines ou par milliers, comme dans Gladiator (2000). On le rappelle : 2.000 personnes ont été filmées en motion-capture pour créer le public dans les arènes. Cependant, ces simulations sont souvent très coûteuses en temps de calcul. Des modèles plus simples existent, comme l'animation aléatoire de particules, et peuvent être privilégiés si la scène que l'on veut simuler s'y prête.

Quel avenir pour l’intelligence artificielle dans l’animation ?

Comme on vient de le voir, l'IA pourrait remplacer la technique de motion-capture pour créer des personnages virtuels. Récemment, des chercheurs ont d'ailleurs développé un algorithme basé sur le machine learning (apprentissage automatique) pour modéliser un individu en 3D à partir d'une courte vidéo de quelques secondes. La personne se contente de tourner sur elle-même devant une caméra afin d'être filmée sous tous les angles et n'a pas besoin d'être couverte de capteurs.

Des chercheurs ont créé un algorithme capable de modéliser une personne en 3D simplement en analysant une vidéo d’une personne tournant sur elle-même. © Christian Theobalt, YouTube

Les progrès exponentiels des ordinateurs remettent-ils donc en question le rôle futur des acteurs au cinéma et celui des animateurs humains qui conçoivent les films d'animation ? L'IA saura-t-elle un jour fabriquer toute seule des images de synthèse ? Ou créer un être humain virtuel de toutes pièces pour en faire l'acteur principal de son film ? Depuis peu, elle s'essaie même à la rédaction. Peut-être pourra-t-elle un jour réaliser un film en entier, scénario compris, sans assistance humaine ?

Pour Julien Duval, directeur de la photographie et enseignant à l'Esma, un réalisateur humain, contrairement à un ordinateur, est capable du meilleur comme du moins bon. Il peut faire un film très banal ou bien « des scénarios très complexes, très subtils, avec des sentiments qui sont très difficiles à avoir au cours d'une vie, parce que le réalisateur a eu la chance de vivre ces sentiments-là ou parce qu'il a eu l'imagination pour y accéder. » Comment savoir si une IA saura un jour, elle aussi, piocher « les éléments qu'il faut pour faire une histoire séduisante » ?

Rien ne remplacera la patte artistique d'un être humain

Pour Gilles Penso, réalisateur et journaliste pour L'Écran fantastique, nous ne sommes pas loin du stade où l'ordinateur puisse produire des images de synthèse : « il peut créer les étapes intermédiaires entre les images clés », rappelle-t-il. « Il pourrait tout à fait à terme créer un film d'animation tout seul. Mais je ne pense pas que ce soit intéressant. A priori, rien ne remplacera la patte artistique d'un être humain. J'imagine l'ordinateur comme un assistant, certes doué, qui puisse s'occuper de certaines tâches pour laisser l'humain dans l'essence de son travail. »

Ce point de vue est également partagé par Thierry Brionnet. « Ce qui est important, c'est la créativité », affirme-t-il. « La machine doit être au service de ce qu'on veut faire. » Mais dans un futur proche, on peut envisager des applications plus concrètes pour l'IA dans l'animation. Pour les logiciels de création graphique, « les informaticiens développent des outils de plus en plus puissants. Ils vont probablement en développer qui soient basés sur l'intelligence artificielle ».

Des outils, encore au stade de la recherche, pourraient ainsi permettre de « calculer la lumière plus rapidement », estime Julien Duval, sachant que les algorithmes actuellement disponibles restent chers et gourmands en temps de calcul. D'ailleurs, en 2017, des chercheurs californiens ont mis au point un modèle de simulation de la fourrure amélioré, qui utilise un réseau neuronal pour appliquer le subsurface scattering aux poils des animaux. Comme on l'a vu auparavant, le subsurface scattering décrit la manière dont la lumière entre et rebondit à l'intérieur d'un matériau translucide, puis en ressort.

Des chercheurs à l’université de Californie ont conçu une méthode pour rendre la simulation par ordinateur de la fourrure des animaux virtuels plus réaliste, notamment en ce qui concerne la façon dont la lumière interagit avec les poils. Elle s’appuie sur un réseau neuronal. © JacobsSchoolNews, YouTube

Pour finir, selon Thierry Brionnet, ce n'est pas l'intelligence artificielle qui va révolutionner le cinéma d'animation. « Ce qui va vraiment changer l'animation, déclare-t-il, c'est l'apparition du temps réel ». De nos jours, comme on l'a expliqué plus haut, les images de synthèse sont calculées après avoir été fabriquées en 3D. « Le temps de calcul va disparaître. On va pouvoir travailler directement sur l'image. »