L'infographie en trois dimensions
L'infographie tridimensionnelle, parfois appelée image de synthèse 3D, désigne des images qui emploient une représentation tridimensionnelle de données géométriques. Les coordonnées sont souvent cartésiennes. L'ordinateur les stocke pour pouvoir calculer, et pour pouvoir rendre une image numérique. L'image est d'ordinaire plane. Parfois c'est un couple stéréoscopique, ou une image destinée à un afficheur qui a vraiment de la profondeur. Le résultat peut être stocké et regardé plus tard, comme une animation, ou montré à mesure qu'il se calcule.
Le nom laisse attendre une image solide. Ce que l'on obtient d'ordinaire est une image plane. À la différence d'un film 3D, où la présentation elle-même doit produire une profondeur visuelle, une image rendue sur un moniteur ordinaire n'a aucune profondeur que l'on puisse mesurer à la règle. Elle a les indices de la profondeur. De plus en plus, les mêmes données sont aussi envoyées à un afficheur qui a, lui, de la profondeur, y compris les afficheurs des systèmes de réalité virtuelle. Les données n'ont pas changé de catégorie. Le verre, si.
L'infographie 3D se distingue de l'infographie 2D, qui emploie d'ordinaire d'autres méthodes et d'autres formats, aussi bien pour créer l'image que pour la rendre. Elle s'appuie aussi sur beaucoup des mêmes algorithmes : méthodes vectorielles dans le modèle filaire, méthodes matricielles dans l'image finale. Dans les logiciels réels, la ligne se brouille. Un programme 2D peut employer des techniques 3D pour obtenir un effet de lumière. Un programme 3D peut employer des techniques 2D pour une passe qui n'a rien à voir avec la caméra. Les étiquettes sur la boîte sont plus grossières que le code.
Un modèle n'est pas encore une image
Les objets s'appellent des modèles 3D. À la différence de l'image rendue, les données d'un modèle vivent dans un fichier graphique. Un modèle 3D est une représentation mathématique d'un objet tridimensionnel. Techniquement, ce n'est pas une image tant qu'on ne l'affiche pas. Cela a l'air d'une chicane. Cela évite beaucoup de confusion. On peut faire tourner une simulation sur un modèle et ne jamais le dessiner. On peut le dessiner mal, et le modèle reste le modèle. Avec l'impression 3D, le modèle est rendu en objet physique, avec des limites sur la fidélité possible entre la chose physique et la chose virtuelle. Une imprimante a une buse, une hauteur de couche, et des matériaux qui s'affaissent. Le fichier n'en sait rien tant qu'un second programme ne le lui a pas dit.
La production d'une image se partage en trois phases.
- Modélisation : former un modèle informatique de la forme de l'objet.
- Mise en place et animation : placer et mouvoir les objets, les modèles, les lumières et le reste, à l'intérieur d'une scène.
- Rendu : les calculs qui, à partir des lumières, des types de surface et des autres qualités, produisent une image.
Construire un modèle prend les deux premières. Lumière et matériaux prend la troisième. Un fichier de scène est ce qui se tient entre les deux : géométrie, point de vue, textures, lumières. Le rendu lit ce fichier et écrit des pixels.
Filaire, puis ombrage
Sketchpad, montré en 1963, était un programme pour dessiner en deux dimensions. La même année, le Sketchpad III de Timothy Johnson l'étendait à des modèles filaires interactifs en trois dimensions, avec une vue en perspective à côté des vues de dessus, de face et de côté. Les arêtes cachées restaient visibles. On ne reconnaissait le solide qu'en lisant les lignes avec soin. Les recherches sur l'ombrage, jusqu'au milieu des années 1970, sont ce qui a fait paraître les modèles polygonaux continus au lieu d'être à facettes. Arthur Appel, en 1968, a exposé l'ombrage point par point des objets solides, en même temps que le problème de décider quelles régions sont dans l'ombre. La méthode de Henri Gouraud, en 1971, calculait l'éclairement aux sommets d'un polygone et l'interpolait sur la face, ce qui réduisait les coutures visibles. Le modèle de Bui Tuong Phong, en 1975, interpolait les normales de surface et évaluait un terme spéculaire à chaque échantillon, ce qui posait un reflet plus serré sur une approximation polygonale d'une courbe.
L'une des premières fois qu'un public de cinéma a vu cette sorte d'animation, c'est Futureworld en 1976, qui contenait un visage et une main d'abord faits pour le court métrage de 1972, A Computer Animated Hand, par Edwin Catmull et Fred Parke, alors étudiants à l'Utah. Les micro-ordinateurs ont reçu un logiciel 3D d'une certaine sorte sur la fin de la même décennie. 3D Art Graphics, écrit par Kazumasa Mitazawa, est sorti en juin 1978 pour l'Apple II.
Le modèle d'illumination de Turner Whitted, en 1980, prolongeait les rayons au-delà de la première surface, de sorte que réflexion, réfraction et ombres venues de lumières ponctuelles se calculaient ensemble. Il prolongeait des rayons lancés depuis le spectateur, méthode qu'il attribuait à Appel, plutôt que des rayons suivis vers l'extérieur depuis les lampes. En 1984, Robert L. Cook, Thomas Porter et Loren Carpenter ont publié le lancer de rayon distribué, en remplaçant ces rayons secondaires exacts par des échantillons stochastiques. Le flou de mouvement, la profondeur de champ, les pénombres, la translucidité et la réflexion brillante sont parmi les effets que ces échantillons peuvent produire. L'équation du rendu de James Kajiya, au SIGGRAPH de 1986, écrit le transport de la lumière comme une seule équation intégrale. Le modèle de Whitted et le lancer de rayon distribué en sont des approximations. Le tracé de chemins, la solution de Monte-Carlo qu'il a décrite, couvre un plus large éventail d'effets optiques qu'un arbre fixe de rayons de réflexion et de réfraction.
Pour l'animation de long métrage, Cook, Carpenter et Catmull ont décrit l'architecture Reyes en 1987. Chaque surface est découpée en micropolygones, ombrée dans les coordonnées propres de cette surface, et testée pour la visibilité par un échantillonnage stochastique dans un z-buffer. Sur des stations Silicon Graphics et Sun, des artistes de Pixar ont construit les modèles de Toy Story (1995), et RenderMan a produit les images. John Lasseter l'a réalisé. C'était le premier film de cinéma dont l'imagerie était entièrement générée par ordinateur.
Le 31 août 1999, Nvidia a présenté la GeForce 256, une puce intégrant transformation, éclairage et rendu, que la société a appelée le premier GPU du monde. L'histoire antérieure des puces graphiques est une autre « première », et on la raconte avec les stations de travail. Un visiocasque pour la réalité virtuelle a été breveté en 1960. Le projet Oculus Rift a commencé par une campagne Kickstarter en 2012. L'écart entre ces dates est l'écart entre un brevet et un produit qu'une personne pouvait commander.
Rien de tout cela n'oblige l'image à ressembler à une photographie. Un modèle peut être rendu, à dessein, dans un style artistique. Et une image peut sembler solide sans modèle du tout, ce qui est un autre sujet : des images qui ont seulement l'air profondes.