Lancer de rayon

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Exemple d'image de synthèse montrant la réfraction dans quatre milieux différents : dans l'air, dans le liquide bleu, dans le liquide rouge et dans le verre (les images sont déformées par le changement d'indice optique).

Le lancer de rayon, en anglais ray tracing, est une technique de calcul d'optique par ordinateur, utilisée pour le rendu en synthèse d'image ou pour des études de systèmes optiques[1]. Elle consiste à simuler le parcours inverse de la lumière : on calcule les éclairages de la caméra vers les objets, puis vers les lumières, alors que dans la réalité, la lumière va de la scène vers l'œil.

Cette technique reproduit les phénomènes physiques (Principe du retour inverse de la lumière de Fermat, Lois de Snell-Descartes) que sont la réflexion et la réfraction. Une mise en œuvre naïve du lancer de rayon ne peut rendre compte de phénomènes optiques tels que les caustiques, l'illumination globale ou encore la dispersion lumineuse (il faut une approche plus élaborée du lancer de rayons faisant appel à des techniques probabilistes de type méthode de Monte-Carlo, Metropolis [2] ou à la radiosité pour résoudre ces problèmes).

En revanche, contrairement à d'autres algorithmes de synthèse d'image, elle permet de définir mathématiquement les objets à représenter et non pas seulement par une multitude de facettes.

Principe[modifier | modifier le code]

Le lancer de rayon consiste, pour chaque pixel de l'image à générer, à lancer un rayon depuis le point de vue (la caméra) dans la scène 3D. Le premier point d'impact du rayon sur un objet définit l'objet concerné par le pixel correspondant.

Des rayons sont ensuite lancés depuis le point d'impact en direction de chaque source de lumière pour déterminer sa luminosité (est-il éclairé ou à l'ombre d'autres objets ?). Cette luminosité combinée avec les propriétés de la surface[3] de l'objet (sa couleur, sa rugosité, etc.) ainsi que d'autres informations éventuelles (angles entre la normale à l'objet et les sources de lumières, réflexions, transparence, etc.) déterminent la couleur finale du pixel.

Cette technique fonctionne à rebours des modèles physiques, qui, eux, lancent des rayons de lumière depuis les sources lumineuses vers l'œil ou la caméra en passant par les objets, alors que le lancer de rayons procède de la caméra vers les sources de lumières. L'expérience montre en effet que cette manière de procéder est nettement plus performante[4] dans la plupart des cas (par contre, pour résoudre des caustiques par exemple, une méthode directe depuis les sources ou mixte est souvent préférée).

Différentes techniques permettent d'accélérer ce traitement lourd. Dans le cadre d'objets polygonaux (constitués de triangles par exemple), dessiner l'objet de façon classique (voir rastérisation) permet de déterminer précisément quels pixels seront réellement visibles, et permet de ne lancer de rayons que pour ces pixels limités. Les différentes techniques de détermination des surfaces cachées permettent de la même manière de minimiser le nombre de rayons à lancer. Ces calculs préliminaires peuvent être réalisés par un processeur dédié afin de limiter le traitement à faire faire par le processeur principal. Le lancer de rayon étant très gourmand en calcul vectoriel, l'utilisation de l'accélération matérielle, conçue pour ce calcul vectoriel (Shader), peut grandement aider à optimiser le résultat final.

Exemple du calcul de l'intersection d'un rayon et d'un triangle[modifier | modifier le code]

Intersection d'un rayon et d'un triangle

Un moyen simple et efficace pour calculer l'intersection d'un rayon avec un triangle consiste à calculer les coordonnées du point d'intersection I dans la base (\vec{u},\vec{v},\vec{r}). Il suffit de résoudre l'équation vectorielle \vec{OO_t}+I_u\vec{u}+I_v\vec{v}=\vec{OO_r}+I_r\vec{r}. À l'aide de la règle de Cramer, du produit mixte et en posant \vec{n}=\vec{u} \wedge \vec{v}, \vec{O_{tr}} = \vec{O_tO_r} on obtient:

I_r = - \frac{\vec{n}.\vec{O_{tr}}}{\vec{n}.\vec{r}} \ ;
I_u = \frac{(\vec{O_{tr}} \wedge \vec{v}).\vec{r}}{\vec{n}.\vec{r}} \ ;
I_v = \frac{(\vec{u} \wedge \vec{O_{tr}}).\vec{r}}{\vec{n}.\vec{r}}

Il suffit ensuite de vérifier que 0 \leq I_u \leq 1 \ ,0 \leq I_v \leq 1 \ ,I_r \geq 0 \ ,I_u+I_v \leq 1
Il est très simple d'étendre cette méthode à des rectangles et même à des polygones grâce au Théorème de Jordan[5]

Futur et prospectives[modifier | modifier le code]

Avec la généralisation des processeurs multi-cœurs et de l'OpenCL, l'algorithme du lancer de rayons voit ses possibilités étendues. En effet, cet algorithme se prête particulièrement bien au parallélisme, chaque point de l'image pouvant être calculé indépendamment des autres. L'immense majorité des logiciels de création graphique basés sur le lancer de rayons utilisent une implémentation multithread permettant la prise en charge des processeurs multi-cœurs. Avec l'apparition de chipsets graphiques multi-cœurs programmables (GPGPU), et des langages de programmation associés (OpenCL ou CUDA par exemple), et avec des moteurs comme LuxRender (Open sources), Iray de NVidia, ou la bibliothèque Lambree[6] de Intel, le lancer de rayons prend de plus en plus d'importance dans les applications de synthèse d'image en temps réel.

Le lancer de rayons permet la génération d'images très réalistes mais peut requérir un temps de calcul très important, en fonction de la complexité de la scène 3D à produire. Jusqu'en 2001, la puissance des ordinateurs ne permettait pas le calcul d'images en temps réel. Depuis, sous certaines conditions, de nombreuses optimisations de l'algorithme permettent un rendu en temps interactif (quelques images par seconde), voire réellement fluide (au-delà de 25 images par seconde).

L'accélération matérielle par des cartes accélératrices dédiées n'est que très rarement utilisée, mais une interface de programmation existe : OpenRT. Larrabee aurait pu être utilisé pour accélérer matériellement le rendu par lancer de rayons, mais cette fonctionnalité n'a pas fait partie du projet : elle aurait donc due être implémentée au besoin par d'autres projets/compagnies[7], par exemple en OpenCL, et la carte est abandonnée.

Des jeux commerciaux à large diffusion sont prévus[8],[9].

Ces méthodes informatiques pour la prédiction d'images trouvent depuis les années 1990 leurs homologues dans divers domaines, en particulier la prédiction de la propagation d'ondes sonores ou de micro-onde (téléphonie mobile) dans les milieux complexes. Le modèle physique sous-jacent aux algorithmes de lancer de rayon (le principe de Fermat) est en effet commun à l'optique et l'acoustique, à quelques raffinements près liés aux longueurs d'onde manipulées (phénomène de diffraction notamment).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. cette méthode est par exemple utilisée par les logiciels TracePro et Oslo de l'éditeur Lambda Research corp., voir (en) « TracePro features », sur Lambda Research et (en) « OSLO », sur Lambda Research
  2. Algorithme de rendu par l'algorithme de Metropolis, voir Eric Veach et Leonidas J. Guibas, « Metropolis Light Transport », sur Stanford Computer Graphics Laboratory
  3. La BRDF, Bidirectional reflectance distribution function (en) est la fonction décrivant le comportement d'une surface quand elle réfléchit la lumière en un point.
  4. sur les modèles d'illumination du lancer de rayon
  5. http://cgm.cs.mcgill.ca/~godfried/teaching/cg-projects/97/Octavian/compgeom.html
  6. Manfred Ernst, « Embree - Photo-Realistic Ray Tracing KernelsIntel Lambree », sur Intel Developer Zone, Programmes OpenCL pour le lancer de rayon
  7. « TomF's Tech Blog - It's only pretending to be a wiki », site d'un développeur du moteur 3D de Larrabee, Tom Forsyth, précisant que « Larrabee is going to render DirectX and OpenGL […], not through raytracing » (entrée du 18 avril 2008).
  8. http://igad.nhtv.nl/~bikker/ Arauna
  9. Jacco Bikker, « Arauna2 announcement video », sur ompf2.com

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]