Le Rendu : la définition, les types et les techniques de visualisation

Le rendu est largement utilisé par les concepteurs et les entreprises : voyons ce que c’est, quels sont les types de rendus et quelles sont les techniques de visualisation

Depuis plusieurs années le rendu est considéré comme le meilleur ‘ami’ des professionnels et des entreprises car il s’est avéré être un excellent outil de communication, aidant les clients et les maîtres d’ouvrage à comprendre les choix de conception faits, mais aussi un outil d’analyse et de contrôle du travail produit.

Qu’est-ce que le rendu ?

Le terme rendu définit le processus qui permet d’obtenir des images numériques provenant de modélisations tridimensionnelles, au travers de logiciels appropriés. Ces images ont pour but de simuler de façon photo réaliste des environnements, des matériaux, des lumières, des objets d’un projet et un modélisation 3D.

Rendu d’intérieur issu de rendu 3D en ligne

Il s’agit d’une image élaborée à l’ordinateur à la suite d’une modélisation tridimensionnelle basée sur les données du projet ; le modèle géométrique réalisé est revêtu d’images (textures) et de couleurs tout à fait semblables aux matériaux réels et est ensuite éclairé par des sources lumineuses qui reproduisent l’éclairage naturels ou artificiels.

Aux cas où les paramètres viennent configurés en imitant ceux présents dans la nature (lumière du jour), textures en HD, cadrage en perspectives réelles, etc… alors le rendu peut être défini comme photo réaliste.

Les types de rendus

Il existe 2 principaux types de rendu ; la différence réside dans la vitesse avec laquelle les images sont calculées et finalisées.

Rendu en Temps Réel

Le rendu en temps réel est principalement utilisé dans les jeux et les graphiques interactifs, en raison de la nécessité de calculer les images à partir d’informations 3D à un rythme très rapide. Il y a un matériel graphique dédié, précisément pour assurer une élaboration rapide des images.

Rendu offline

Le rendu hors ligne est utilisé dans les situations où le besoin de la vitesse d’élaboration est inférieur. Les effets fonctionnent là où la complexité visuelle et le photo réalisme sont à un niveau très élevé. Il n’y a pas d’imprévisibilité, contrairement au temps réel.

Rendu d’intérieur issu de Edificius

Le rendu : les techniques de visualisation

Z-Buffer (Tampon de profondeur)

L’un des algorithmes les plus simples pour déterminer les surfaces visibles, qui utilise deux structures de données telles que le z-buffer (une zone de mémoire qui garde pour chaque pixel la coordonnée z la plus proche de l’observateur) et le frame-buffer (qui contient les informations de couleur relatives aux pixels contenus dans le z-buffer). Pour chaque pixel, la valeur maximale de z est mémorisée (en supposant que l’axe z va de l’écran vers les yeux de l’observateur) et à chaque étape, la valeur contenue dans z-buffer est mise à jour seulement si le point examiné à la coordonnée z supérieure à celle actuellement présente dans le z-buffer. La technique est appliquée à un polygone à la fois et donc lors du balayage de l’un d’eux, il n’est pas possible d’avoir des informations relatives sur les autres polygones.

Scan line (Ligne de balayge)

Une des plus anciennes méthodes. Il fusionne l’algorithme de détermination des surfaces visibles avec l’algorithme de détermination des ombres rapportées. Les algorithmes travaillant sur la ligne de balayage sont la précision de l’image et tirent leur nom, du fait que, pour chaque ligne de balayage déterminent les span (intervalles) des pixels visibles. Il se diffère du z-buffer car il travaille avec une ligne de balayage à la fois.

Rendu de couleurs et luminosité d’ambiance issu de Edificius

 Ray casting (Raycasting)

C’est un mécanisme de précision d’image qui permet la détection des surfaces visibles. L’ensemble du processus se réfère à un centre de projection et à un écran dans une position arbitraire pensée comme une grille régulière. Les éléments correspondent à la dimension des pixels de la résolution souhaitée. Des rayons lumineux imaginaires sont tracés du centre d’observation vers les objets présent sur la scène, un pour chaque cellule de la fenêtre elle-même.

L’idée de font du raycasting consiste à faire partir des rayons de l’œil, un par pixel, et de trouver l’objet le plus proche qui bloque le parcours (il faut penser à une image comme une grille, où chaque carré correspond à un pixel). Un avantage important offert par le raycasting par rapport à l’ancien algorithme de la ligne de balayage est sa capacité de gérer avec simplicité des surfaces solides ou non planes, telles que les cônes et les sphères. Si une surface mathématique peut être frappée par un rayon, le raycasting est capable de la dessiner. Des rendus d’objets complexes peuvent être facilement créés à l’aide de techniques de modélisation solide.

Rendu architectural issu de Edificius

Ray tracing (Lancer de rayons)

Il découle directement du raycasting à laquelle vient appliquée un modèle particulier d’éclairage qui prend en compte les phénomènes physiques de la lumière tels que la réflet et la réfraction qui permet d’obtenir des résultats photo réalistes étonnants. Elle repose sur l’observation que, de tous les rayons lumineux qui quittent une source, les seuls qui contribuent à l’image sont ceux qui, après avoir frappé l’objet, atteignent l’observateur. Les rayons lumineux peuvent atteindre l’observateur soit directement, soit par effet de l’interaction avec d’autres surfaces. Bien sûr, il n’est pas possible de suivre la trajectoire de chaque rayon ; cependant, si nous inversons la trajectoire des rayons, et ne considérons que ceux qui partent de la position de l’observateur, nous déterminons les rayons qui contribuent à l’image. C’est exactement l’idée qui se cache derrière la méthode du lancer de rayons (ray tracing), qui simule le chemin arrière parcouru par le rayonnement lumineux pour joindre l’observateur.

La popularité du lancer de rayons jette les bases d’une simulation réaliste de la lumière par rapport à d’autres modèles de rendu (comme le rendu de lignes de balayage ou le raycasting). Des effets tels que la réflexion et l’ombre, difficiles à simuler avec d’autres méthodes, sont le résultat naturel de l’algorithme. Une implémentation relativement simple conduit à des résultats impressionnants, le lancer de rayons (ray tracing) représente souvent le point d’accès à l’étude de la programmation graphique.

Rendu d’intérieur issu de Edificius

Radiosity (Radiance)

Une autre méthode de précision d’image qui améliore encore les qualités photo réalistes de l’image car elle prend également en compte le phénomène physique de l’inter réflexion diffuse entre les objets. En fait, dans le monde réel, lorsqu’une surface possède une composante de lumière réfléchissante, non seulement elle apparaît dans notre image, mais elle illumine aussi les surfaces proches. La lumière ré-irradiée transporte des informations de l’objet qui l’a relancé, en particulier la couleur. Ainsi les ombres s’avèrent « moins noires » et il est possible de percevoir la couleur de l’objet voisin bien éclairé, un phénomène souvent appelé « fuite de couleur ». L’algorithme de radiance (radiosity), dans un premier temps, identifie et décompose les surfaces en composants plus petits et par la suite distribue l’énergie lumineuse directe ; dans un deuxième temps, elle calcule l’énergie diffusée, transmise et réfléchie en supposant que les surfaces reflètent la lumière de la même manière. De plus, elle calcule les surfaces qui reflètent le plus d’énergie et la redistribue.