Image 3D : pourquoi le ray tracing part-il de l’œil ?

Intervenant 10:00

Bienvenue dans le podcast du magazine Tangente. Aujourd'hui, on va parler d'un truc qui, je trouve, est fascinant. Vous savez, face à une peinture classique, on a un rapport direct à la matière, au relief du pinceau, tout ça.

Intervenant 20:12

Ouais, la toile, les pigments.

Intervenant 10:14

Voilà. Mais quand on regarde une image de synthèse en 3D aujourd'hui, le photoréalisme est tellement dingue qu'on oublie complètement qu'il n'y a aucune matière physique derrière.

Intervenant 20:24

Absolument rien de physique, non ?

Intervenant 10:25

C'est que des mathématiques pures. Et c'est ce paradoxe qu'on va décrypter aujourd'hui en se basant sur un super article de Tangente sur le lancé de rayons ou le ray tracing. Notre mission, ça va être de comprendre comment de simples équations arrivent à tromper notre œil avec une telle perfection.

Intervenant 20:41

C'est assez vertigineux en fait, parce qu'il faut vraiment faire le deuil de notre conception classique du dessin. Dans une scène 3D virtuelle, tu n'as ni traits, ni contours. On commence par bâtir un monde qui est strictement géométrique. Et algébrique même. On manipule des volumes qui sont décrits par des équations cartésiennes.

Intervenant 11:02

Genre, au lieu de dessiner une sphère, on écrit une formule ?

Intervenant 21:05

Exactement. Une sphère parfaite, c'est pas un assemblage de petits triangles ou de polygones. C'est juste l'ensemble des boins qui vérifient l'équation x² plus y² plus z² égale r².

Intervenant 11:18

Ah ouais, donc pour modéliser un objet complexe, comme, je ne sais pas, une tasse de café par exemple, on ne dessine pas sa paroi, on fait interagir ses champs mathématiques entre eux.

Intervenant 21:28

C'est ça.

Intervenant 11:28

Ça me fait vraiment penser à un jeu de constructions, un peu comme si on sculptait avec des Legos purement mathématiques invisibles, tu vois.

Intervenant 21:35

Ouais, c'est une très bonne image. L'ordinateur calcule en fait des opérations boolean, donc il évalue en permanence les intersections, les unions ou les soustractions de ces espaces définis par les équations.

Intervenant 11:47

D'accord, donc on prend la zone mathématique d'un cylindre et on lui soustrait logiquement un autre cylindre pour creuser l'intérieur de la tasse.

Intervenant 21:55

C'est exactement ça. Et une fois que cette architecture invisible est posée, le logiciel va attribuer des variables, donc des textures à chaque surface.

Intervenant 12:05

Genre du verre ou du métal ?

Intervenant 22:07

Voilà, on donne un indice de réfraction pour simuler du verre, ou un coefficient d'absorption pour une texture opaque, ou de réflexion pour un miroir. Ensuite, on place mathématiquement les coordonnées de l'observateur, donc la caméra, et bien sûr des sources de lumière.

Intervenant 12:23

Et alors, c'est là que l'article bouscule vraiment notre intuition. Parce que si je me fuis à la physique classique, la logique voudrait qu'on allume la lampe virtuelle, qu'elle émette des milliards de photons dans toutes les directions et qu'on regarde comment la scène s'éclaire.

Intervenant 22:38

Oui, la logique naturelle voudrait ça, oui.

Intervenant 12:41

Sauf que la méthode du lancer de rayons fait l'exact opposé.

Intervenant 22:45

Bah oui, parce que simuler la réalité dans le sens naturel de la lumière, ça exigerait une puissance de calcul colossale et surtout totalement inutile.

Intervenant 12:53

Inutile parce que la plupart des photons ne servent à rien pour l'image finale, c'est ça ?

Intervenant 22:57

Exactement. Une ampoule émet des quantités astronomiques de photons qui vont rebondir sur les murs, se perdre sous les meubles et la grande majorité n'atteindra jamais l'objectif de la caméra.

Intervenant 13:08

Ah oui, donc calculer toutes ces trajectoires pour rien, ce serait un gaspillage monumental de ressources.

Intervenant 23:13

C'est ça. Donc l'astuce, c'est d'inverser le temps et l'espace. Le logiciel projette des rayons virtuels depuis l'œil de l'observateur.

Intervenant 13:22

Ok, depuis la caméra.

Intervenant 23:24

Voilà, à travers chaque pixel de l'écran et vers la scène.

Intervenant 13:27

Mais attends, il y a un truc qui me pose problème avec ça. Si le rayon part de ma caméra et vient percuter, disons, l'équation de notre tasse de café, comment le système fait pour savoir s'il y a une ombre à cet endroit précis ? Vu qu'on fonctionne à l'envers, on n'a pas encore tracé le chemin depuis la lumière, non ?

Intervenant 23:41

Eh bien, c'est là que la magie opère. Au moment précis de l'impact, le logiciel résout un nouveau problème géométrique.

Intervenant 13:49

Ok.

Intervenant 23:50

Depuis ce point de contact sur la paroi de la tasse, il va tirer ce qu'on appelle un rayon d'ombre. C'est un vecteur qui est dirigé tout droit vers les coordonnées de la source lumineuse.

Intervenant 13:59

Ah, je vois.

Intervenant 24:01

Et donc, si ce vecteur croise l'équation d'un autre objet sur son trajet.

Intervenant 14:04

Ça veut dire que la lumière est bloquée, donc le pixel sera sombre.

Intervenant 24:07

Et si la voie est libre, la zone est éclairée.

Intervenant 14:10

Ah, je comprends beaucoup mieux cette mécanique de l'intersection. C'est brillant.

Intervenant 24:13

Très astucieux. Et s'il s'agit d'une matière réfléchissante au point d'impact, comme du chrome par exemple, au lieu de chercher directement la lumière, on calcule l'angle de réflexion mathématiques exact et le rayon rebondit pour continuer son trajet inversé.

Intervenant 14:26

Et ça jusqu'à trouver, ou non, une source

Intervenant 24:29

lumineuse. Voilà. Et tout le long de cette chaîne de rebonds inversés, les lois strictes de l'optique classique sont appliquées par le calcul. On compile l'atténuation de la lumière, les changements de couleur selon les matériaux croisés. En restreignant vraiment l'effort mathématique aux seuls rayons qui finissent sur notre rétine virtuelle, on obtient des reflets et des ombres d'un réalisme incontestable.

Intervenant 14:53

C'est une optimisation vraiment géniale. En fait, on réalise que ce photoréalisme bluffant qu'on voit sur nos écrans, ce n'est pas du tout une imitation du fonctionnement de la nature.

Intervenant 25:03

Non, pas du tout.

Intervenant 15:04

C'est une triche assumée. Une physique volontairement inversée pour rendre l'incalculable parfaitement

Intervenant 25:10

calculable. L'abstraction mathématique permet de contourner les limites physiques du monde réel. Et je trouve que ça nous laisse face à une interrogation un peu plus philosophique pour terminer.

Intervenant 15:21

Vas-y, je t'écoute.

Intervenant 25:22

Si nos machines génèrent une illusion de réalité aussi parfaite, en traçant la lumière uniquement à reculons, donc depuis l'observateur, dans quelle mesure notre propre perception du monde physique est-elle, elle aussi, une simple reconstruction interne qui serait totalement dépendante et limitée par notre point de vue ?

Intervenant 15:41

Oh waouh, ça c'est la question à un million. Une très belle piste de réflexion pour nos auditeurs. Merci d'avoir décortiqué tout ça avec moi et merci à vous de nous avoir suivis. On se retrouve très vite pour une nouvelle exploration.