Qu’est-ce que le rendu 3D dans le pipeline CG ?

Le processus de rendu joue un rôle crucial dans le cycle de développement de l’infographie. Le rendu est l’aspect le plus complexe techniquement de la production 3D, mais il peut en fait être compris assez facilement dans le contexte d’une analogie : Tout comme un photographe de cinéma doit développer et imprimer ses photos avant de pouvoir les afficher, les professionnels de l’infographie sont confrontés à une nécessité similaire.

Lorsqu’un artiste travaille sur une scène en 3D, les modèles qu’il manipule sont en fait une représentation mathématique de points et de surfaces (plus précisément, des sommets et des polygones) dans un espace tridimensionnel.

Le terme rendu fait référence aux calculs effectués par le moteur de rendu d’un logiciel 3D pour traduire la scène d’une approximation mathématique à une image 3D finalisée. Au cours du processus, les informations spatiales, texturales et d’éclairage de la scène entière sont combinées pour déterminer la valeur de la couleur de chaque pixel de l’image aplatie.

Deux types de rendu

Il existe deux grands types de rendu, leur principale différence étant la vitesse à laquelle les images sont calculées et finalisées.

1. Rendu en temps réel: Le rendu en temps réel est surtout utilisé dans les jeux et les graphiques interactifs, où les images doivent être calculées à partir d’informations 3D à un rythme incroyablement rapide. Comme il est impossible de prévoir exactement comment un joueur va interagir avec l’environnement du jeu, les images doivent être rendues en « temps réel » au fur et à mesure du déroulement de l’action.
2. La vitesse compte: Pour que le mouvement apparaisse fluide, un minimum de 18 à 20 images par seconde doit être rendu à l’écran. Tout ce qui est inférieur à cette valeur et l’action apparaîtra hachée.
3. Les méthodes: Le rendu en temps réel est considérablement amélioré grâce à un matériel graphique dédié et à la pré-compilation d’un maximum d’informations. Une grande partie des informations d’éclairage d’un environnement de jeu est pré-calculée et « cuite » directement dans les fichiers de texture de l’environnement pour améliorer la vitesse de rendu.
4. Offline ou pré-rendu: Le rendu hors ligne est utilisé dans les situations où la vitesse est moins problématique, les calculs étant généralement effectués à l’aide de processeurs multicœurs plutôt que de matériel graphique dédié. Le rendu hors ligne est le plus souvent utilisé dans les travaux d’animation et d’effets, où la complexité visuelle et le photoréalisme sont maintenus à un niveau beaucoup plus élevé. Comme il n’y a pas d’imprévisibilité quant à ce qui apparaîtra dans chaque image, les grands studios sont connus pour consacrer jusqu’à 90 heures de temps de rendu à des images individuelles.
5. Photoréalisme: Comme le rendu hors ligne s’effectue dans un cadre temporel ouvert, il est possible d’atteindre des niveaux de photoréalisme plus élevés qu’avec le rendu en temps réel. Les personnages, les environnements et leurs textures et lumières associées ont généralement droit à un plus grand nombre de polygones et à des fichiers de texture à une résolution de 4k (ou plus).

Techniques de rendu

Trois grandes techniques de calcul sont utilisées pour la plupart des rendus. Chacune a ses propres avantages et inconvénients, ce qui rend les trois options viables dans certaines situations.

• Scanline (ou rasterisation): Le rendu par scanline est utilisé lorsque la vitesse est une nécessité, ce qui en fait la technique de choix pour le rendu en temps réel et les graphiques interactifs. Au lieu de rendre une image pixel par pixel, les rendus scanline calculent sur une base polygone par polygone. Les techniques de scanline utilisées en conjonction avec un éclairage pré-calculé (cuit) peuvent atteindre des vitesses de 60 images par seconde ou plus sur une carte graphique haut de gamme.
• Raytracing: Dans le raytracing, pour chaque pixel de la scène, un ou plusieurs rayons de lumière sont tracés de la caméra à l’objet 3D le plus proche. Le rayon lumineux passe ensuite à travers un certain nombre de « rebonds », qui peuvent inclure une réflexion ou une réfraction selon les matériaux de la scène 3D. La couleur de chaque pixel est calculée par un algorithme basé sur l’interaction du rayon lumineux avec les objets situés sur son chemin. Le ray-tracing est capable d’un photoréalisme plus important que le scanline, mais il est exponentiellement plus lent.
• Radiosité: Contrairement au raytracing, la radiosité est calculée indépendamment de la caméra, et est orientée à la surface plutôt que pixel par pixel. La fonction première de la radiosité est de simuler plus précisément la couleur de la surface en tenant compte de l’éclairage indirect (lumière diffuse rebondie). La radiosité est généralement caractérisée par des ombres douces et graduées et par des saignements de couleur, où la lumière des objets de couleur vive « saigne » sur les surfaces voisines.

En pratique, la radiosité et le traçage des rayons sont souvent utilisés conjointement, utilisant les avantages de chaque système pour atteindre des niveaux impressionnants de photoréalisme.

Logiciel de rendu

Bien que le rendu repose sur des calculs incroyablement sophistiqués, les logiciels actuels fournissent des paramètres faciles à comprendre qui font qu’un artiste n’a jamais besoin de s’occuper des mathématiques sous-jacentes. Un moteur de rendu est inclus dans toutes les principales suites logicielles 3D, et la plupart d’entre elles comprennent des packages de matériaux et d’éclairage qui permettent d’atteindre des niveaux de photoréalisme étonnants.

Les deux moteurs de rendu les plus courants

• Rayon mental: Emballé avec Autodesk Maya. Mental Ray est incroyablement polyvalent, relativement rapide, et probablement le moteur de rendu le plus compétent pour les images de personnages qui ont besoin d’être diffusées sous la surface. Mental ray utilise une combinaison de raytracing et d' »illumination globale » (radiosité).
• V-Ray: Vous voyez généralement V-Ray utilisé en conjonction avec 3DS Max – ensemble, la paire est absolument inégalée pour la visualisation architecturale et le rendu d’environnement. Les principaux avantages de VRay par rapport à son concurrent sont ses outils d’éclairage et sa vaste bibliothèque de matériaux pour arch-viz.

Le rendu est un sujet technique, mais il peut être très intéressant lorsque l’on commence vraiment à approfondir certaines des techniques courantes.