Image de synthèse

La modélisation consiste à créer une scène. Il faut donc modéliser c'est-à-dire créer les objets que nous voulons voir. On peut comparer la modélisation à de la sculpture. Il existe des formes de bases que l'on peut modeler pour en faire ce que l'on veut mais on peut aussi créer soi même ces formes grâce à différents techniques que nous allons expliquer.

Cette étape est la plus importante de la création d'images de synthèse. Si elle n'est pas bien faite, le rendu sera médiocre voir laid.

Il existe de nombreux outils de modélisation. Les plus connus sont 3DSMax, Povray, Maya et LightWave. Néanmoins, cette liste n'est pas exhaustive, il existe en effet un grand nombre de logiciels.

Pour notre TPE nous avons choisi Povray logiciel facile à utiliser une fois qu’on l’a pris en main. Il nous a permis de créer quelques images de synthèse afin d’illustrer notre TPE.

a) Les repères

Un objet 3d est défini dans l'espace par les coordonnées de ses points dans plusieurs repères :

- Le repère global, qui est fixe et qui sert de repère général à la scène (Og,Xg,Yg,Zg).
- Le repère objet (ou local), qui est un repère propre à l'objet grâce auquel sont exprimées ses coordonnées (Oo,Xo,Yo,Zo). En général, l'origine est le centre de l'objet.
- Le repère camera, semblable à un repère objet mais pour la caméra (c'est à dire le point à partir duquel on regarde la scène).
- Le repère écran, relativement spécial, qui représente le repère défini par le moniteur. Il correspond à la surface de l'image finale et ne possède que deux coordonnées car il est en deux dimensions (abscisse et ordonnée, Oe, Xe et Ye). L'origine de ce repère est définie en haut à gauche de l'écran.

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b) Les modèles géométriques

Maintenant que nous avons expliqué que n’importe quel élément ou objet présent dans une image de synthèse doit être situé dans des repères nous allons étudier les différents moyens possibles pour créer ces objets.

Le premier principe étudier est celui de l’image dite en fil de fer:

1) le maillage

Cette image est en faite le squelette de l'image final. Cette technique permet d'avoir un aperçu de l'image finale de l'objet. Cet aperçu manque é énormément de clarté.

Pour créer une telle image, il faut une quantité énorme d'informations tel que la longueur des arrêtes, les angles entre deux arrêtes etc.…

Elle est créée à partir du repère propre à l'objet, chaque point de l'objet est relié avec ses points voisins a une longueur d'une arrête. Tous ces points ont des coordonnées X, Y, Z. Les point reliés entre eux par les arrêtes forment des polygones ou triangles de surface. Chaque polygone est formé de trois points et de trois arrêtes en général.

Ainsi la méthode la plus simple et la plus répandue pour représenter des objets 3D consiste à utiliser un modèle polygonal. Chaque objet est alors décrit par un ensemble de polygones, ou facettes. Chaque facette est formée d'arrêtes reliées par des sommets (ou points), et chaque sommet est défini par ses coordonnées dans l'espace 3D.

Notons que les facettes utilisées sont souvent triangulaires (primitives à 3 sommets et 3 arêtes). Ainsi, chaque face d'un cube créée sera formée de deux facettes triangulaires au lieu d'une seule facette carrée. La méthode de représentation polygonale est basée sur trois constituants de base : le polygone triangulaire, l'arrête, et enfin le sommet.

Ainsi cette décomposition de l’objet en polygones qui ressemble à une image en fil de fer s’appelle le « maillage ».

On peut gagner de la place mémoire en ne stockant que les sommets et les arrêtes, et en ne prenant pas en compte la notion de polygone. Mais cela aurait pour effet de limiter un objet 3D à un simple maillage en fil de fer. Il serait alors impossible de lui attribuer des couleurs, des textures ou autres attributs, qui sont basés sur une notion de surface, et donc de polygone. Il serait par conséquent impossible d'en faire une représentation en volume.

Un des avantages du modèle polygonal, c’est la souplesse de l’objet modélisé qui peut être modifié à volonté au niveau des sommets des arrêtes. Ainsi l’image peut être plus affinée et obtenir ainsi une forme spécifique. C'est une caractéristique importante lorsqu'on doit retravailler des formes complexes, comme un visage humain.

Mais le modèle polygonal comporte aussi des défauts.

Un des inconvénients du modèle polygonal « maillage » c’est que tout objet peut être représenté par un maillage polygonal, mais pas toujours avec une qualité optimale. Si un cube s'y prête particulièrement bien, ce n'est pas le cas d'un objet arrondi.

Pour représenter une sphère, on doit procéder à une approximation d'un objet parfaitement rond avec des éléments (les polygones), qui sont parfaitement plats. Et bien d'autres formes doivent aussi être approximées (cônes, cylindres, tores, etc.).

Pour cela, il faut multiplier le nombre de polygones qui constituent le maillage. Plus il y aura de polygones plus l'image sera fluide et réaliste.

Sphère avec 80, 960 et 9800 polygones

A gauche, on obtient un objet peu convaincant. A droite, l'objet est presque parfait mais consomme énormément de polygones.

Mais si l’on crée un objet avec trop de polygones celui va prendre beaucoup de mémoires !!

Pour faire des économies, les objets qui resteront à l'arrière‑plan pourront comporter peu de facettes, tandis que les objets vus en gros plan devront être très détaillés.

Une fois cette étape achevée ces polygones pourront être remplis avec la texture voulue .

2) La "C.S.G." («Constructive Solid Geometry" )

On peut créer des formes 3D au niveau le plus élémentaire, en reliant directement des sommets (points) avec des arrêtes (segment de droite) pour former des polygones (facettes) mais c’est un travail minutieux et très long seulement utilisé quand on veut obtenir des formes assez spécifiques. C’est pour cela que l’on peut utiliser des formes 3D prédéfinies, ou primitives, afin de gagner du temps. Les primitives géométriques les plus connues sont la sphère, le cube, le cylindre, le tube, le cône et l’hémisphère.

Dans un logiciel comme Povray on a la possibilité d’entrer des formes géométriques prédéfinies une sphère comme celle ci dessous s’écrit :

« Sphère {<0,0,0>, 1.1 } »

Ici < 0, 0, 0> correspond aux coordonnées du centre de la sphère dans le repère en 3D donc

< x, y, z >

Et 1.1 correspond à la grandeur du rayon de la sphère

Ainsi cela nous amène à aborder la notion de modeleur volumique, les objets 3D ne sont plus traités comme un ensemble de polygones mais comme des volumes à part entière. Une sphère est décrite par son centre et son rayon, et un cube est décrit par les équations des plans qui le délimitent dans l'espace. Dans le même esprit, un diamètre et une longueur suffisent pour définir un cylindre. Les deux avantages principaux de cette approche sont une faible consommation mémoire, la perfection obtenue dans les formes mathématiques et un gain de temps énormes.

Un modeleur volumique est basé sur un modèle mathématique CSG (Constructive Solid Geornetry). Dans tous les cas, la modélisation fait appel aux opérations sur les solides. Ces opérations logiques (addition, soustraction, union, intersection) permettent de sculpter les formes : l'intersection de deux sphères donne par exemple une lentille, ……

Prenons pour illustrer ces différents types d’opération un carrée et une sphère :

( Soit A le carrée et B la sphère )

A U B A - B A ∩ B

Union, associe deux volumes sans aucune modification.

Fusion, les deux enveloppes externes des volumes constituent un tout, les parties internes sont éliminées.

Différence, le second est soustrait au premier.

Intersection , on ne garde que les parties communes.

L’inconvénient majeur d'un modeleur volumique est son manque de souplesse. Les formes dites libres, irrégulières, organiques, sont souvent impossibles à réaliser uniquement par opérations.

Donc nous avons vu qu’il existe différentes façons de créer un objet ou une forme dans une image de synthèse qui possèdent chacun leur avantage et leurs inconvénients. Mais maintenant il reste a définir les paramètres de la scène comme les cameras d’où l’on observe les différents éléments de l’image de synthèse crées.

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c) Les cameras

Une fois l'image créee il faut définir son angle de vu dans la scène.

La position et l'orientation d'une caméra constituent un point de vue. On peut créer plusieurs caméras, les positionner où l'on veut dans la scène en donnant leurs coordonnés dans le repère correspondant (c’est-à-dire le repère camera), puis alterner entre ces diverses vues.

On peut en disposer plusieurs et passer de l'une à l'autre pour tirer profit de différentes perspectives.

Le jeu entre les cameras permet une vue complète de la scène et permet une vue détaillée de l'objet modifier l’aspect produit par la lumières, les textures…..

Passer des coordonnées spatiales à la représentation sur l’écran :

Le but est donc de représenter un monde en 3D à travers un écran, l'ordinateur doit donc transformer les coordonnées spatiales en coordonnées planes. Cela s’appelle la projection. La projection est la transformation qui permet de donner la position du point image sur le plan à partir d'un point dans l'espace. Il s'agit donc de déterminer ce que l'on doit dessiner sur le plan de l'écran pour que l'observateur voie la même chose sur le plan que s'il observait vraiment l'objet.

Pour cela, rien de bien compliqué, il suffit de faire intervenir le théorème de Thalès.

Le théorème de Thalès est plus visible sur ce schéma :

Voilà l’étape de la modélisation des éléments d’une image de synthèse achevée, nous avons crée ces formes et objets par différents moyens, nous les avons situés dans les repères appropriés et nous avons fixé des caméras pour les observer sous différents angles de vues. Mais ces formes restent encore inachevées, ils faut leur appliquer un « rendu » afin qu’elle deviennent plus réelles et plus convaincantes.

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