comparaison entre le réel et le virtuel

Transcription

Directeurs de mémoire
F. Guéna, L.P. Untersteller
Erwan LE BRIS − 73693
Mai 2003
École d’Architecture de Paris La Villette
Mémoire de fin de troisième cycle
images de synthèse
comparaison entre le réel et le virtuel
la lumière
Comparaison entre le réel et le virtuel
Erwan LE BRIS − 73693 − [email protected]
Mai 2003
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SOMMAIRE
Introduction
page
Techniques et logiciels
1. La lumière
1
2
2
1.1 source ponctuelle uniforme
2
1.2 luminance
2
1.3 intensité lumineuse
3
1.4 illuminance
3
1.5 loi de l’inverse du carré
4
1.6 radiosité (excitance)
4
2. Techniques de base
5
2.1 lancé de rayon
5
2.2 « Z−buffer » (tampon de profondeur)
5
2.3 scanline (balayage)
5
3. Les techniques poussées
6
3.1 la radiosité
6
3.2 la carte photon
7
4. Les logiciels
8
4.1 Autocad
8
4.2 Accurender
9
4.3 Desktop Radiance
9
4.4 Blender
10
Soutenu par Erwan LE BRIS
Page I
Proposition
11
1. Procédures
11
1.1 le sujet réel
11
1.2 le sujet virtuel
13
1.3 respect des couleurs
14
1.4 les objets et sources lumineuses
15
1.5 prise de vues
16
2. Analyses
17
2.1 Autocad − lancé de rayon
17
2.2 Autocad et Desktop Radiance − radiosité
19
2.3 Blender − scanline
25
2.4 Blender − radiosité
28
Bilan des analyses
30
1. Moyens utilisés
30
1.1 HSV
31
1.2 Alien Map
32
1.3 Edge Detect
32
2. Le bilan
33
2.1 Autocad et lancé de rayon
33
2.2 Autocad et radiosité
36
2.3 Blender et rendu scanline
39
2.4 Blender et rendu radiosité
42
Conclusion
45
Page II
Annexes
46
1. Utilitaire de conversion
46
2. Blender
50
2.1 présentation
50
2.2 la boîte de Cornell en surfaces 3D
54
2.3 le rendu scanline
62
2.4 la boîte de Cornell en volumes 3D
63
2.5 le calcul de la radiosité
67
2.6 scanline et radiosité
69
Bibliographie
70
Page III
INTRODUCTION
La simulation de la lumière naturelle est à la base de la qualité de perception du virtuel
permettant de se rapprocher du réel. La réalisation d’images de synthèse peut remplacer
avantageusement certaines images réelles.
Il s’agira d’en montrer les limites en évaluant les techniques du lancé de rayon, scanline et radiosité
(cette dernière étant celle qui s’en rapproche au mieux). Après une introduction sur la
compréhension de la lumière, ce document propose une comparaison entre le réel et le virtuel, à
partir d’un même environnement. Une scène réelle servant de base pour mettre en évidence les
effets de la lumière sur une scène virtuelle, à l’aide de logiciels spécifiques.
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TECHNIQUES ET LOGICIELS
1. Pour commencer, voici un bref récapitulatif sur la lumière et ses notions.
1.1 Source ponctuelle uniforme

définition : source lumineuse dont les dimensions sont très inférieures
aux autres structures de la scène et qui émet son énergie lumineuse
uniformément dans l’espace 3D
elle émet un flux lumineux en lumens (lm) ou en watts (W)

en pratique, elle n’existe pas, on peut traiter les éléments différentiels
d’une source
1.2 Luminance

définition : quantité d’énergie/unité de temps (densité de flux) qui
traverse une surface à une position dans une direction donnée, par unité
de surface perpendiculaire à la direction, et par angle solide (dans le
vide, la luminance est constante le long d’une droite)

la distribution de lumière dans l’espace dépend de la position et de la
direction (on place une petite section de surface dans l’espace et on
mesure la puissance [énergie/t] qu’elle reçoit)
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1.3 Intensité lumineuse
définition : rapport entre un élément de flux (puissance) différentiel et
l’angle solide dans une direction donnée
il s’agit d’une propriété d’émission d’une source ponctuelle
1.4 Illuminance
définition : puissance reçue par unité de surface (W/m²) − c’est ce que
l’on mesure en chacun des pixels

l’illuminance en un pixel est proportionnelle à la luminance

l’illuminance est inversement proportionnelle à l’inverse du rapport
focale/distance, si la lentille est ajustée pour un focus à l’infini (c’est à
dire que plus l’ouverture est grande, plus l’illuminance sera grande)

l’illuminance sera plus faible en s’éloignant du centre de l’image
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1.5 Loi de l’inverse du carré
1.6 Radiosité (excitance)

définition : puissance totale émise par unité de surface (W/m²) − on
intègre la luminance sur l’émisphère, si L est constant (indépendant de
l’angle)
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2. Techniques de base (définitions)
2.1 Lancé de rayon
Méthode (algorithme) permettant de rendre une scène 3D sous forme d’une
image photoréaliste, en traçant un rayon lumineux passant par chaque pixel de l’image. Les valeurs
d’éclairage, donc des couleurs rendues, sont calculées en fonction de la trajectoire du rayon dans la
scène, qui affecte au passage la surface (c’est à dire son aspect visuel) des objets rencontrés. En
outre, cette méthode prend en compte l’élimination des surfaces cachées, les particularités de
réflexion, réfraction et transparence, le calcul des ombres propres et portées, ainsi que le traitement
de l’anticrénelage.
2.2 « Z−buffer » (tampon de profondeur)
Mémoire tampon traitant les données sur l’axe Z, d’un espace
tridimensionnel. Utilisé pour éliminer des calculs les faces cachées des objets modélisés ainsi que
les ombres portées sur cet axe. Plus simplement, concerne la profondeur d’une scène 3D.
2.3 « Scanline » (balayage)
Méthode de rendu qui procède à partir d’une projection de géométrie sur la
surface de l’écran en tenant compte de la perspective due au point de vue. Une ligne balaye (est
déplacée) de haut en bas de l’écran qui contient la scène projetée. Seuls sont traités les polygones
(de l’objet modélisé) qui sont en intersection avec ce plan et qui se trouvent au premier plan. Ces
polygones masquent ceux qui sont en arrière plan, qui ne sont donc pas traités. De ce fait, la
méthode est rapide, mais limitée, puisqu’elle ne peut prendre en compte les réflexions et les
réfractions.
Il est à noter que certains moteurs de rendu sont hybrides, c’est à dire qu’ils utilisent le
lancé de rayon pour les objets réfléchissants et/ou transparents, alors que les autres objets sont
traités en scanline, pour plus de rapidité et de performances.
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3. Techniques poussées issues de l’illumination globale :
Concerne la prise en compte de la propagation de la lumière dans un environnement
simulé (scène 3D), tributaire des inter−réflexions produisant ce que l’on appel l’éclairage indirect,
qui peut être de deux ordres : la radiance et l’éclairage spéculaire indirect. D’où deux méthodes
d’illumination globale :
la radiance, appelée radiosité, type Monte Carlo
la carte photon, produisant les reflets caustiques
La lumière émise par les lampes de la scène n’est pas absorbée en totalité par les surfaces qu’elle
frappe, mais elle est diffusée, participant ainsi à l’éclairement global de la scène d’une manière
indirecte.
Ces techniques ne traitent que la lumière et ces effets (dont les ombres). On peut leur
appliquer des couleurs lorsque cela est nécessaire, mais en aucun cas elles ne traitent les textures ou
certains types de sources lumineuses. Par conséquent, on effectue dans un premier temps le calcul
avec l’une de ces techniques et ensuite, on l’associe à une technique de base, permettant l’ajout de
textures, transparences, sources lumineuses secondaires, etc. ...
La seconde opération peut être invisible par l’opérateur ou être paramétrable, suivant le logiciel.
3.1 La radiosité
Elle est définie comme la quantité d’énergie émise par unité de
surface (W.m²). Il s’agit d’une quantité diffuse. L’algorithme dit de Mont Carlo consiste à faire un
échantillonnage statistique de l’environnement autour des points dont on cherche le niveau
d’illumination, afin de déterminer l’influence de cet environnement sur la couleur du point.
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3.2 La carte photon
Algorithme utilisé pour calculer l’éclairage spéculaire indirect, également
appelé reflet caustique. Le principe consiste à lancer, à partir de la source lumineuse, un nombre
définit de photons en direction des objets affectés d’un indice de surface caustique attribué par
l’opérateur. Chaque fois qu’un photon frappe un objet après avoir traversé une surface, ou avoir
rebondi sur elle, l’intersection du rayon est stockée dans une mémoire tampon. Cette collecte de
renseignement (gathering) établit la carte des photons, qui sera utilisée pour établir la quantité de
lumière produite par ces caustiques de réflexion / réfraction.
On désigne sous ce nom d’éclairage spéculaire indirect, qui se manifeste sous forme de lumière
réfléchie ou réfractée par des surfaces réfléchissantes et/ou transparentes, et qui se focalise en taches
lumineuses très intenses sur d’autres surfaces. Bien évidemment, ces sources lumineuses participent
à l’éclairage indirect des objets environnants.
Exemples de caustiques :
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4. Les logiciels
L’une des problématique, est le fait que toutes les applications n’utilisant pas les mêmes
techniques de base (support de la radiosité), il se peut ou est probable, que le résultat final ne soit
pas le même. De plus, chaque application permettant la radiosité utilise des bibliothèques de
matériaux pré−paramètrés (réflexion, rugosité, ...) différentes et l’ajout de nouveaux éléments n’est
pas toujours facile.
4.1 Autocad
Il s’agit d’un logiciel de Conception Assisté par Ordinateur, permettant de
travailler en 2D et en 3D. Doté d’un modeleur suffisant pour cette étude, mon choix s’est porté sur
Autocad, car je le maîtrise. De plus il est possible d’écrire des programmes (LISP entre autres) et de
les y intégrer. Le moteur de rendu est le lancé de rayon.
Une autre raison de mon choix, est qu’il est possible d’ajouter des modules (logiciels additionnels) à
Autocad, et d’augmenter ainsi ses possibilité. Dans le cas qui m’intéresse, de pouvoir faire de la
radiosité.
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4.2 Accurender
Il s’agit d’un module additionnel à Autocad, doté d’un moteur de rendu de
radiosité, d’une bibliothèque de matériaux et d’une bibliothèque de sources lumineuses. Il permet
de se greffer facilement à tout volume 3D d’Autocad.
Ce module aurait pu être intéressant, mais les bibliothèques pourtant complètes manquent de détails
techniques et s’agissant d’une version de démonstration, les rendus sont très limités et ne me
permettent pas une analyse poussée. Je le cite donc seulement à titre indicatif ; il existe plusieurs
logiciels de ce type, que l’on ajoute à une application majeure (Autocad, Archicad, ...).
4.3 Desktop Radiance
Il s’agit d’un module additionnel à Autocad, doté d’un moteur de rendu de
radiosité, et de bibliothèques de matériaux, sources lumineuses, meubles, et matériaux spéciaux
(rideaux, ...). Conçu par un laboratoire, il est plus adapté pour cette étude, donnant notamment de
nombreuses indications techniques sur les matériaux et les sources lumineuses (réflexion, nombres
de lumens, ...). Seul défaut, les bibliothèques sont difficiles à compléter.
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4.4 Blender
Logiciel de modélisation et de rendu basé sur un moteur scanline et de
radiosité. Je l’ai choisi, car il permet un autre procédé que le lancé de rayon (scanline) et aussi parce
qu’il rapide d’accès.
Blender à été écrit par l’entreprise NaN (Hollande). Il s’agissait pour eux d’avoir un outil adapté à
leur travail. Ils le distribuèrent gratuitement durant plusieurs années. Suite à la faillite de NaN en
2002, son créateur en fait un logiciel libre.
Ce logiciel à été réalisé en différentes versions (Windows, Linux, MacOSX, etc. ...). Il s’installe
très facilement à partir d’un fichier de 2,6 Mo et s’avère très complet malgré cette petite taille. Cette
dernière s’explique pour beaucoup du fait qu’il n’y a aucune bibliothèque dans Blender (ni textures,
ni exemples).
Blender permet la modélisation, les rendu scanline, lancé de rayon et Z−buffer, et la radiosité. On
peut faire de l’animation avec la gestion des particules et du montage audio−vidéo. Ce n’est là
qu’un bref aperçu de ses possibilités.
En ce qui concerne les textures, Blender est doté d’un générateur permettant de créer toutes celles
nécessaires (on peut également utiliser des images). Blender utilise des scripts écrits en python que
l’on trouve gratuitement sur internet (script de conversion, pour utiliser d’autres moteurs de rendu
comme Lightflow, script d’animation, etc. ...).
Autre aspect intéressant, ses sources (ce avec quoi le logiciel à été écrit) sont disponibles et
librement modifiables. On peut alors imaginer adapter ce logiciel à des recherches plus poussées.
Comme il est envisageable d’utiliser la boîte construite sur Autocad, dans Blender, j’ai
réalisé un didacticiel pour effectuer la conversion (voir les Annexes).
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PROPOSITION
1. Les procédures
1.1 le sujet réel
Pour ne pas avoir trop de difficultés à reproduire un même sujet d’étude,
dans les différentes applications, je me suis basé sur un modèle simple, couramment utilisé dans ce
type d’analyses. Il s’agit d’une Boite de Cornell, dont j’ai créé deux maquettes, l’une réelle et
l’autre virtuelle.
La boîte prend son nom à l’Université de Cornell où elle fut créée par Cindy M. Goral, Kenneth E.
Torrance, et Donald P. Greenberg, en 1984, pour une publication du SIGGRAPH
− « Modeling the interaction of Light Between Diffuse Surfaces » − pour simuler
les interactions de la lumière entre les surfaces diffuses (SIGGRAPH ’84
Proceedings), Vol. 18, No. 3, July 1984, pp. 213−222. Cette boîte ne comportait
aucun objet.
Ceux−ci firent leur apparition dans une simulation de Michael F. Cohen et Donald P. Greenberg,
pour l’article « The Hemi−Cube » (1985) − « A Radiosity Solution for Complex
Environments », Vol. 19, No. 3, July 1985, pp. 31−40.
Il était alors notamment possible de calculer les ombres d’objets occultés.
La boîte eut plusieurs évolutions suivants les besoins des chercheurs.
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La boîte que j’ai réalisé, est un cube de 15 cm de coté, avec une face ouverte sur le coté
et sur la face du dessus, une ouverture carrée, centrée de 4 cm de coté. Les deux faces
perpendiculaires au sol et parallèles sont de couleurs différentes (bleu et rouge). Afin d’éviter au
maximum la lumière parasite, j’ai placé un tube noir mat, devant la boîte « réelle ».
La boîte contient deux volumes permettant d’observer les effets de propagation de la lumière, issue
de chaque face (ci−dessous).
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1.2 le sujet virtuel
La boîte virtuelle est rigoureusement la même. Les objets y sont placés et
j’imprime ensuite la boîte en plan. Je place la feuille dans la boite réelle, afin que les objets réel
(identiques aux virtuels) aient la même position. Dans certains cas, le tube noir à été également
reproduit.
Vue en plan
Vue axonométrique
La caméra est placée dans l’axe de la boîte.
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1.3 Respect des couleurs
Afin d’avoir les mêmes couleurs en parois, j’ai photographié les cartons
rouge, bleu et blanc de la maquette.
A l’aide d’un logiciel de retouche (ici Paint Shop Pro), j’ai pris la couleur « moyenne », de laquelle,
j’ai noté les valeurs RGB (rouge, vert, bleu).
J’ai utilisé ensuite ces valeurs pour créer le matériaux correspondant (ici dans Autocad).
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1.4 Les objets et sources lumineuses
La boite n’est pas suffisante. Il s’agit d’un espace restreint avec une source
lumineuse (parfois plusieurs) et des objets à éclairer, dont je dois pouvoir disposer pour les deux
maquettes.
Pour l’essentiel des analyses, j’utilise des formes géométriques simples, opaques. Les ombres et les
lumières réfléchies n’en sont que plus facile à étudier (cube, pavé, sphère, cylindre, cône). Je peux
utiliser des objets réfléchissants ou translucides, mais ils sont difficiles à réaliser (problème de
matériaux) ou à se procurer.
Les sources lumineuses sont aussi un problème. Je n’obtiens
pas le même résultat avec une lampe halogène ou avec un néon. J’ai essayé plusieurs sources
lumineuses avec plusieurs combinaisons dans les applications. J’ai choisi une lampe avec tube basse
tension, qui me donne la lumière blanche désirée et une diffusion homogène des rayons lumineux.
La position de cette source par rapport à la boîte, me donnait aussi des résultats très différents. Les
trois premières images ci−dessus comportent la même source lumineuse. Mais pour la première,
cette source est plaquée sur la boîte. Pour la seconde (qui sera ma référence pour les expériences qui
suivent) la source est située à 10 cm au dessus de la boîte. Pour la troisième, la source est à 50 cm
au dessus. La dernière image comporte une source lumineuse avec filament incandescent.
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1.5 Prise de vues
En ce qui concerne la maquette réelle, je prends les clichés avec un appareil
photo−numérique (ou photoscope). Cela me permet surtout une rapidité d’exploitation. De plus, si
j’utilisais une pellicule classique, il serait préférable que je développe moi même le film, ne pouvant
être certain d’une uniformité des développements en labo. Même en supposant que cela ne pose pas
de problème, il me faut ensuite scanner les clichés. Cela fait de trop lourdes opérations.
L’appareil numérique utilisé est un Fujifilm Finepix 1400z de 1,3 Mega pixels. Dans l’ensemble,
les couleurs, contraste et luminosité des images sont corrects.
Je le place, sur pieds, sur le même axe que la caméra dans l’application utilisée. Les caractéristiques
des prises de vues, sont :
distance de l’objet 55 cm (je tiens compte de la position du capteur CCD
et non de celle de l’objectif)
focale 90 mm
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2. Les analyses
2.1 Autocad – fausse radiosité avec le rendu lancé de rayon
virtuel
réel
L’image
virtuelle
est
un
essais
de
simulation de radiosité, grâce au lancé de
rayon. Ceci est possible, en « trichant »,
avec une multitude de sources lumineuses
(ici 24).
Pour ce rendu, la caméra est à 60 cm du
modèle et le zoom est de 100.
Il y a 7 sources ponctuelles par face, et de faible intensité (une face bleue, une rouge et une blanche
au fond). Elles sont de la même couleur que les dites faces. Au dessus de l’ouverture il y a une
source ponctuelle donnant la principale intensité relative à la source lumineuse simulée. Juste au−
dessous de l’ouverture, il y a une source lumineuse de type spot, permettant de générer une ombre
proche de celle visible sur le cliché « réel ». Enfin, une source lumineuse dite d’ambiance permet
d’avoir un minimum de lumière en tout point de la scène. L’image est encore loin du cliché et m’a
demandé un vingtaine d’essais.
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Voici quelques exemples intermédiaires au résultat final (ci−dessus), montrant la
progression que j’ai utilisé en ajoutant pas à pas, les sources lumineuses nécessaires à la
reproduction de l’image réelle.
Sur l’image réelle, une tache lumineuse apparaît au dessus du pavé (à droite). Cette
réflexion peut partiellement être corrigée avec une lumière de plus, mais dont l’éclat risque de
perturber les autres sources. En effet, l’un des problème rencontré, est que pour obtenir un résultat
correct pour les fausses réflexions, j’ai été obligé de pousser la puissance des lumières. Ainsi, pour
que l’ajout de cette dernière source soit visible, il est nécessaire qu’elle soit beaucoup plus puissante
que les autres. Du coup, cela fait trop d’intensité lumineuse sur l’ensemble de la scène.
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2.2 Autocad et Desktop Radiance − radiosité
virtuel
Il y a pour cette scène, une seule source
lumineuse, comme pour le modèle réel.
réel
Cela reste encore assez loin de la réalité. Il y a à cela deux causes essentielles. La
première, est une impossibilité d’entrer mes échantillons de couleurs dans la bibliothèque de
matériaux. La seconde est que l’éclairage que j’utilise dans le modèle réel, n’existe pas dans la
bibliothèque correspondante du logiciel.
A ces deux causes, il n’y a pas de solution à ma portée. En effet, il serait nécessaire de paramètrer
de nouveaux matériaux et sources lumineuses. Bref, de faire de la programmation.
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Pour arriver à ce résultat, il m’a été nécessaire de réaliser plus de 70 calculs différents.
Dans un premier temps, voici comment j’ai procédé. Pour que Desktop Radiance fonctionne, il faut
lancer l’application spécifique qui ouvre Autocad (si l’on démarre ce dernier avant, cela ne
fonctionne pas). J’ai dû refaire l’ensemble du modèle, à partir d’un nouveau fichier. En effet, la
présence d’anciens paramètres dans celui−ci, « polluait » les données et tout rendu était impossible.
Contrairement au premier, réalisé en volumes 3D pour le lancé de rayon, le second modèle est
composé de surfaces 3D (seul type accepté par l’application).
Le menu de Desktop Radiance est le suivant :
(1) − permet d’attribuer un matériau (Matérials), insérer une
source lumineuse (Luminaires), certains effets comme des
voilages, rideaux (Glazing), et d’insérer quelques meubles
(Furnishings).
(2) − permet entre autre de définir une zone d’analyse (gain de
temps si plusieurs sources lumineuse présentes, mais pas
nécessaires à chaque caméra) et surtout de créer une caméra.
Il est à noter que seuls doivent être utilisés les caméras, sources lumineuses et matériaux propres à
Desktop Radiance. Ceux créés à l’aide d’Autocad ne fonctionneront pas, car il ne sont pas
paramètrés pour un rendu en radiosité.
(3) − pour notamment lancer le rendu en radiosité
(4) − des outils pour étudier le résultat et exporter les données
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Je n’ai pas pu paramétrer les mêmes matériaux que ceux de la boîte réelle. J’en ai donc
pris des similaires.
J’ai eu le même problème avec l’éclairage.
Une fois le modèle créé et les matériaux appliqués, on met en place une caméra, en
cliquant sur le menu Radiance, puis sur Analysis et Define Camera Position, ce qui ouvre une
boîte de dialogue :
J’ai eu beaucoup de mal retrouver un angle de vue
similaire à celui du rendu en lancé de rayon et au
modèle réel. La principale raison est que la caméra est
gérée différemment dans cette application. Je n’y suis
arrivé que par tatonnement. Au final, la focale (Lens
Length) est de 150 mm et la caméra est à une distance de 95 unités du modèle.
Les questions de lumière ont été résolue après de nombreux essais.
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Pour lancer le rendu, on clic dans le menu, sur Simulation puis sur Camera. Pour la
sélectionner, il est préférable d’être en plan ou en vue axonométrique. En effet, si l’on est dans le
mode de vue Camera, il s’agit de celui d’Autocad, et cela fausse les paramètres de la caméra de
Desktop Radiance.
Ensuite, après avoir nommé le rendu (ici nommé Scenario), on sélectionne tous les
objets pour le calcul. Viennent enfin les paramètres du rendu :
Comme il s’agit d’un rendu défini au départ comme ayant
une seule source de lumière (artificielle), il ne faut aucune
autre lumière parasite. Or Desktop Radiance possède par
défaut le soleil pré−paramètré. Il est donc important de
choisir une heure sans soleil (00:00), sans quoi le calcul
sera effectué à l’heure de votre ordinateur.
L’option Batch, permet un calcul plus rapide et plus fin.
Pour la qualité de la simulation (Simulation Quality), il est
nécessaire de choisir Luminance pour avoir un rendu
correct. Illuminance, donne une image saturée de lumière.
Cliquer sur Start pour lancer le calcul. Cela ouvre une boîte de dialogue qui en indique la
progression (ci−dessous, entouré en rouge).
Une fois le calcul terminé, Running est remplacé par Finished.
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Pour visualiser le résultat, cliquer sur Display/Analize, ce qui ouvre Winimage, petit
utilitaire attaché à Desktop Radiance pour visualiser les résultats, y appliquer des traitements
(fausses couleurs, ...), et les exporter sous d’autres formats (TIF, BMP, ...).
Concernant Winimage, j’ai été confronté à un problème que je n’ai pu résoudre (propre
à ma configuration ou à l’installation du logiciel). Il m’était impossible d’appliquer des traitements
sur les images, ni même de les exporter. Je les ai donc récupéré par capture d’écran.
Mais le fait de pouvoir traiter ces images ne m’a pas été d’une grande utilité. En effet, les images
issues d’un calcul comportent plus de données qu’une image standard. Par exemple, une image
comporte des informations quant à la température de la lumière, sur une surface par rapport à une
autre (données mises en valeurs avec de fausses couleurs). Le problème est que je n’ai pu avoir de
tels traitements avec les images issues d’un autre type de rendu, ni du modèle réel. Je n’ai donc pas
pu effectuer de comparaison. J’ai donc préféré utiliser des filtres applicables à toutes.
Ci−dessous à gauche un exemple calculé avec Radiance et à droite, la même image traitée en
fausses couleurs, donnant la température de la lumière.
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Voici quelques exemples intermédiaires au résultat final du calcul avec Desktop Radiance.
Deux exemples des difficultés rencontrées pour
avoir une caméra correctement paramètrée.
Pour cette image, j’ai oublié de
régler l’heure à 00:00 (minuit). Le
soleil à donc fait son apparition
dans ce calcul (à noter : la ligne
d’horizon créée automatiquement).
Résultat obtenu en ayant utilisé illuminance, comme
paramètre pour la qualité de la simulation.
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2.3 Blender, rendu scanline
virtuel
Il y a 10 sources lumineuses pour arriver à
ce résultat et les parois émettent de la
lumière.
réel
Avec Blender il est possible de récupérer le modèle Autocad utilisé pour le lancé de
rayon, mais il est préférable de le reconstruire. C’est d’ailleurs ce que j’ai fait, par crainte d’une
« pollution » par des éléments parasites provenant de la conversion. Malgré tout, d’aucun verront
peut être, par cette dernière, le moyen de comparer plus facilement le lancé de rayon et le scanline,
grâce à un même support.
Du fait des deux expériences (scanline et radiosité) il est nécessaire de faire deux boîtes :
boîte du scanline, composée de surfaces 3D qui laissent passer la lumière (permet
d’ajouter de la lumière, qui se diffuse au travers de la paroi)
boîte de la radiosité, composée de volumes 3D qui arrêtent la lumière
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Parmi les paramètres de modélisation de la boîte pour le rendu scanline, toutes les faces
émettent légèrement de la lumière (leur donnant un éclat proche du modèle réel). Elle comporte
également 10 sources lumineuses, apportant des ombres (sans lumière – c’est possible avec
Blender), de la lumière sans ombres, ou encore les teintes de couleur. Certaines de ces sources sont
à l’extérieur de la boîte servant à diffuser de la lumière rouge ou bleue, derrière chaque paroi de la
couleur correspondante.
Enfin, pour augmenter une ombre, j’ai utilisé une lumière négative sans ombre (elle soustrait de la
lumière).
J’ai utilisé moins de sources lumineuses avec Blender, car elles sont plus paramètrables.
Afin de mieux comprendre les mécanismes de ce logiciel, et ceux utilisés pour cette
expérience, j’ai réalisé un didacticiel situé en fin ce document (voir les Annexes). J’ai détaillé la
construction d’une boîte de Cornell pour le rendu scanline et une autre pour la radiosité, avec toutes
les opérations nécessaires pour y parvenir, pas à pas.
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Voici quelques exemples intermédiaires :
au début, j’ai eu beaucoup de mal à régler la caméra
l’image est mieux cadrée, mais encore trop sombre
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2.4 Blender, rendu radiosité
virtuel
Il y a pour cette scène, une seule source
lumineuse dont la forme se rapproche de
celle du modèle réel.
réel
La radiosité est calculée en premier. Vient ensuite un calcul complémentaire avec le
moteur de rendu scanline. Dans l’ensemble il est facile de faire des rendus de qualité avec Blender,
mais il est beaucoup plus difficile de faire des rendus en radiosité rivalisants avec la réalité. C’est
possible, mais très long et souvent il est nécessaire de joindre un moteur de rendu supplémentaire à
Blender, à l’aide de scripts prévus à cet effet. Pour ces expériences je n’en ai utilisé aucun.
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Parmis les avantages de ce logiciel, la visualisation du calcul de la radiosité :
Voici quelques étapes intermédiaires :
Pour cette première image, j’ai oublié d’enlever le paramètre
d’émission lumineuse sur la parois rouge (présent pour le rendu
scanline).
Avec ce calcul je me suis rendu compte du problème posé par des
parois composées de surfaces 3D (au lieu de volumes). La lumière
passant au travers des parois, cela modifie le rendu.
Ici j’ai utilisé des couleurs trop franches.
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BILAN DES ANALYSES
1. Les moyens utilisés
Pour effectuer les comparaisons entre les différentes images obtenues, j’utilise Gimp,
logiciel de manipulation et de retouche d’image. Il se présente sous la forme de plusieurs boîtes de
dialogue, affichées à l’écran. La version que j’utilise est en anglais (il existe une version en
français), d’où l’utilisation de cette langue.
L’ensemble de ces filtres et traitements permet de mieux appréhender la diffusion de la lumière,
chacun isolant certaines « données » de l’image.
Image réelle
a) − HSV
b) − Alien Map
c) − Edge Detect
Lors du bilan, cet ordre est conservé. Enfin, pour plus de lisibilité et de contraste, j’ai inversé les
couleurs des images traitées avec le filtre Edge Detect.
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1.1 HSV
L’image est d’abords décomposée en RGB (Red, Green, Blue − Rouge, Vert, Bleu).
Ouvrir l’image, puis faire un clic droit au milieu de celle−ci (ceci ouvre le menu Image à la base de
toute manipulation) et choisir Image, puis Mode et Decompose. Dans la boîte de dialogue, choisir
RGB (Ok) ; l’image se décompose dans les trois couleurs de base.
A présent, recomposer l’image, à partir de celles obtenues, mais avec une composante
supplémentaire. L’option utilisée est HSV (Hue, Saturation, Value), filtre qui permet de modifier la
valeur de chacune des couleurs de base, suivant certaines spécifications. J’ai réalisé des essais avec
toutes les combinaisons possibles. Une seule donne les meilleurs résultats.
Dans l’une des trois image RGB, faire un clic droit, Image, puis Mode et Compose. Choisir HSV.
A Hue (qui signifie teinte ou nuance), je lie le bleu.
A Saturation (saturation − chaque image a une certaine quantité de rouge, de vert et de
bleu ; cette option augmente cette « quantité » pour une couleur donnée), je lie le rouge.
A Value (valeur), je lie le vert.
Cliquer sur Ok pour voir le résultat :
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1.2 Alien Map
Il s’agit d’un filtre d’effet (le nom « Alien » est un effet de style ...), me permettant
d’augmenter la lumière. Ainsi les surfaces, où la lumière réfléchie n’est normalement que peu
visible, sont saturés.
Pour l’obtenir, faire un clic droit sur l’image et, dans le menu, aller sur Filters, Colors, puis Map et
Alien Map. Sélectionner les options pour chaque couleur, comme ci−dessous.
Presser Ok :
1.3 Edge Detect
Il s’agit d’un filtre de détection des bords, qui montre les limites entre les dégradés et
celles entre les zones très contrastées (attention, les couleurs sont inversées). Toujours avec un clic
droit, aller sur Filters, Edge Detect et Edge. Choisir Smear, donner une valeur, puis Ok.
Réel
Amount = 3
Amount = 1
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2. Le Bilan
2.1 Autocad et lancé de rayon
Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Les deux premiers filtres (HSV et Alien Map), permettent une comparaison facile de la
diffusion lumineuse. On peut notamment voir que le volume (pavé) de droite réfléchit une partie de
la lumière, sur le fond de la boîte (image réelle). Ce n’est pas le cas avec le lancé de rayon. Il
manque une source lumineuse pour simuler cette réflexion.
Autre réflexion, provenant cette fois du sol, vers la base du pavé.
En fait, les volumes placés dans la boîte, semble se détacher du sol,
avec un rendu en lancé de rayon. Les volumes et la boîte ne sont
pas liés entre eux, car c’est la lumière qui effectue cette liaison.
Ceci est aussi vrai pour le petit cube, mais moins visible.
Un élément important apparaît clairement lorsque l’on compare le réel et le virtuel, avec
le filtre de détection des bords. La lumière réelle se propage de manière uniforme, tandis que la
lumière virtuelle le fait de manière géométrique. Il est donc déjà délicat de faire des comparaisons.
Mais le filtre de détection des bords met parfaitement en valeur le principe du lancé de rayon,
permettant de mieux le comprendre.
Un dernier point, que je n’ai pas réussi à régler avec les lumières (gestion trop simple
des éclairages avec Autocad). Les lumières ne sont pas suffisamment diffuses et les ombres en
résultant sont trop nettes.
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2.2 Autocad et radiosité (Desktop radiance)
Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Le filtre HSV permet ici de voir que la radiosité à partiellement reproduit les réflexions
sur les volumes et la boîte.
Réel
virtuel
D’une manière générale, que ce soit en comparant les images non traitées et celles avec
le filtre Alien Map, on voit que la lumière est plus ou moins correctement reproduite.
La moindre zone éclairée dans l’image réelle, à été reproduite avec
la radiosité. De même, les réflexions des surfaces colorées sont
parfaitement visibles.
Il est un élément qui apparaît sur les images non traitées : la
réflexion de la base de la boîte est plus importante dans le modèle
virtuel. Ceci est vraisemblablement dû au fait que je n’ai pas pu
paramètrer avec exactitude, les différents matériaux, sous Desktop
Radiance.
Le filtre de détection des bords permet surtout de voir le mélange et la propagation de la
lumière réfléchie, issue des deux surfaces colorées.
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2.3 Blender et rendu scanline
Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Il y a deux gros problèmes qui apparaissent ici. Le premier, mis en avant avec les deux
premiers filtre, est celui des couleurs. Le second est l’éclairage qui n’est pas encore suffisamment
correcte, même si les ombres le sont relativement.
Le filtre HSV−compose montre le problème des couleurs
(matériaux) et celui de l’éclairage, avec notamment l’absence de la
tache lumineuse au fond à droite (alors qu’une lumière la simule).
Autre problème, celui créé sans doute par
les lumières complémentaire, mais dont je
n’ai pu corriger les effets.
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2.4 Blender et rendu radiosité
Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Réel
Virtuel
Image non traitée
Image non traitée
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Globalement le résultat est satisfaisant. Le point délicat est que la lumière ne semble pas
se diffuser normalement, bien que correctement paramètrée, dans la mesure où les données qui la
compose sont respectées. A l’exception toutefois de la section du volume utilisé pour la source
lumineuse (voir Annexes), que je n’ai pu essayer convenablement.
Réel
virtuel
Avec ce filtre il est facile de constater que la lumière simulée est proche de la réalité, mais sa dif−
fusion reste curieuse.
Réel
virtuel
Le filtre HSV−compose montre que les couleurs (matériaux) sont relativement correctes, mais il
montre surtout les erreurs de diffusion de la lumière :
1. l’éclairage et les teintes sont suffisamment correctes
2. la tache de lumière est trop haute dans le modèle virtuel et trop ouverte
3. la diffusion provenant de la réflexion du sol est quasi nulle, de plus un ombre en diagonale
coupe cette face en deux (je n’ai pas réussi à l’éliminer)
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CONCLUSION
La principale constatation après ces analyses est que, une technique de base seule, ne
permet pas d’obtenir un résultat suffisamment correct. La radiosité permet d’y parvenir, mais cela
nécessite de maîtriser les matériaux et sources lumineuses.
Parmi les travaux qu’il serait intéressant d’effectuer, on pourrait tenter de paramètrer
un modèle de manière plus poussée. Car par rapport à un rendu plus pratique, en architecture par
exemple, il est nécessaire d’avoir la maîtrise totale des matériaux et sources lumineuses, pour un
rendu le plus proche possible de la réalité. Ou du moins pour le plus représentatif.
Il serait d’ailleurs également intéressant de choisir un objet architectural existant, de chercher à le
reproduire fidèlement et d’y appliquer un rendu en radiosité, avec des conditions identiques au site
réel (mêmes heures, mêmes conditions climatiques, etc. ...). Sur cette base on pourrait alors estimer
les limites d’un tel procédé.
Pueblo Ribera, La Jolla (Californie − USA) R Schindler 1929
Il est également envisageable de réaliser des expériences sur des objets simples, mais
cependant plus complexes que la boîte de Cornell, avec plusieurs sources lumineuses, naturelle et
artificielles. Par exemple, simuler un faisceau lumineux se réfléchissant sur différents panneaux,
afin d’analyser ensuite l’éclairage indirect dans un volume plus complexe.
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ANNEXES
1. Utilitaire de conversion
La plus part de des applications de modélisation et de rendu ne sont pas directement
compatibles entre elles. Il existe de nombreux utilitaires pour convertir les données d’un logiciel à
un autre. J’ai retenu Crossroad pour sa simplicité.
Comme j’ai utilisé Autocad et Blender, voici la procédure de conversion entre les deux logiciels :
Ouvrir Autocad, puis votre fichier 3D (il est sans doute possible de le faire à partir de la 2D pour
monter la maquette directement sous Blender ; je vous en parlerai plus tard).
Pour passer de l’un à l’autre, vous allez exporter votre fichier au format
3DS. Mais pour que cela fonctionne bien, les calques doivent avoir des
couleurs différentes, sinon, tous les calques ayant une même couleur,
seront liés (et donc également, les objets qu’ils contiennent).
Allez dans le gestionnaire des calques et modifiez la couleur de chacun d’eux, afin d’avoir une
couleur différente à chaque fois. Le seul inconvénient, si vous avez plus de 256 calques qui ne doi−
vent pas être liés, vous devez diviser le fichier et faire autant d’exportations que nécessaire. Fermez
ensuite le gestionnaire.
Ensuite, allez dans Fichier, puis Exporter, et choisissez (dans la fenêtre) 3D Studio.
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Sélectionnez les objets que vous désirez récupérer sous Blender. Attention, certains objets trop
lourd, peuvent ne pas être acceptés dans Crossroad (voir plus loin).
Dans le cadre qui s’ouvre, choisissez « index des couleurs d’Autocad (ACI) » puis Ok.
Après la création du fichier 3DS (ce qui peut être long), vous pouvez quitter Autocad.
Ouvrez Crossroad
Dans File, puis Open, choisissez 3D Studio. Choisissez ensuite votre fichier puis Ok. Le charge−
ment se fait (parfois long).
Le fichier ouvert se voit à peine ...
Une fois chargé, Allez dans File, puis Save As et choisissez VRML 2.0. Tapez le nom du fichier,
puis Ok et une fois le fichier créé, vous quittez le programme.
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Ouvrez Blender
Pressez la touche F1 (open) et choisissez votre fichier WRL (vrlm) dans l’arborescence, puis cli−
quez sur LOAD FILE
En haut à droite, une barre de progression (du rouge au vert) donne l’avancement de l’opération,
qui peut être longue.
Votre fichier est chargé.
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Il se peut que le projet ne soit pas dans la bonne position (par exemple, redressé à 90°).
Toujours dans Blender, pressez la touche A (sélectionnez tout), l’ensemble du projet apparaît en
rose. Ensuite, pressez R (rotation) et durant cette commande, les objets sélectionnés en rose,
deviennent blanc.
En bas à gauche, sur la barre d’icône centrale, vous verrez l’angle se modifier lorsque vous déplacez
la souris. Approchez vous le plus possible de 90°. Il n’est pas nécessaire d’avoir la valeur exacte
(sur une image de synthèse, on ne verra pas la différence de 0,01° ).
Avec le pavé numérique ou dans View, changez le point de vue et procédez de la même manière si
nécessaire.
Touche 1 = vue de face (Front)
Touche 3 = vue de droite (Right)
Touche 7 = vue de dessus (Top)
Le fichier est désormais exploitable.
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2. Blender
2.1 Présentation
Je n’explique ici que ce qui est nécessaire pour refaire mes tests sur une boîte de
Cornell. Je ne détaille donc pas tous les menus et toutes les fonctions de Blender.
Lorsque l’on ouvre Blender l’interface présente trois parties par défaut. Il est possible
de modifier cette présentation en ajoutant ou enlevant des fenêtres, de les déplacer, de les agrandir,
et de faire la même chose avec les barres d’outils. Ces changements sont alors propres à chaque
fichier. Le format de fichier « objet » (qui contient le modèle 3D) de Blender est blend. A chaque
sauvegarde, l’ancien fichier change d’extension (blend1).
(1) la barre d’outils de base, également accessible à
l’aide de raccourcis clavier
(2) la fenêtre de travail (il est possible de la subdiviser
suivant des angles de vues ou des outils)
(3) la fenêtre des principaux outils (textures, édition
des objets, animation, ...)
Il est recommandé d’utiliser les raccourcis clavier qui permettent un gain de temps considérable. De
même, l’utilisation d’une souris trois boutons et à molette permet de se déplacer plus facilement
dans la fenêtre de travail :
la molette sert à zoomer (sans molette, on peut aussi presser la touche Ctrl et le
bouton du milieu)
en maintenant enfoncé le bouton du milieu (molette) on change l’orientation de la
vue (orbite 3D)
en pressant la touche Shift et le bouton du milieu, on se déplace dans la fenêtre de
travail
Avant toute opération sur un objet (déplacement, édition, ...) il est nécessaire de le sélectionner.
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Barre d’outils de base :
(1) chaque menu commence par une icône dotée de deux triangles noirs de chaque coté
. Ce
bouton (dont l’image varie de part sa fonction) sert à déterminer la fonction et la fenêtre qui s’y
rapporte. Pour ce menu de base, il y a une fenêtre, mais elle est cachée. Placer la souris juste au
niveau de sa limite inférieure – le curseur change. Il est alors possible d’effectuer un déplacement
vers le bas pour agrandir la fenêtre.
(2) les principaux menus (accessibles aussi au clavier)
(3) barre de progression de chargement d’un fichier (ouvrir ou importation) et de calcul
Barre d’outils de la fenêtre de travail :
(1) bouton pour travailler en plein écran
(2) chaque petit carré représente un calque (permet de mieux organiser le travail de modélisation)
(3) ce bouton permet de changer le mode d’affichage du modèle 3D (volumes simples, fils de fer,
ombré, texturé)
Barre d’outils principale :
(1) zoom étendu (pour voir tous les objets)
(2) Sources lumineuses (accès aussi avec la touche F4)
(3) Matériaux (F5)
(4) Textures (F6)
(5) Animations (F7)
(6) le « temps réel » − Blender permet de faire des jeux 3D interactifs (F8)
(7) Édition des objets (changement de calque, modification des arrêtes, type de surface, etc. ...) (F9)
(8) Radiosité
(9) Rendu (F10)
(10) ce bouton qui apparaît en fonction de l’outil permet l’ajout ou la sélection de données (par
exemple pour ajouter une texture)
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Voici également quelques raccourcis clavier :
F1, charger ou importer un nouveau fichier
F2, enregistrer sous
Ctrl + W, enregistrer
F3, enregistrer l’image (après un rendu)
F11, faire apparaître la fenêtre de rendu
F12, lancer un nouveau rendu
TAB, (la touche Tabulation), entrer ou sortir du mode édition (dans lequel seuls les
sommets des arrêtes sont en surbrillance)
N, redimensionner un objet et modifier sa position
Un clic gauche permet de placer le repère
(définit par exemple,
l’emplacement d’insertion d’un nouvel objet)
C, permet de centrer la vue sur le repère
Shift + C, centre la vue sur la mire
et y replace le repère
A, (dé)sélectionner tous les objets, sources lumineuses et caméras
Shift + D, dupliquer (copier) un objet
Suppr (ou Del), supprimer le ou les objets sélectionnés
Shift + S, déterminer le type d’accroche automatique
G, déplacer (peut se faire aussi en pressant N et en entant les nouvelles coordonnées)
R, rotation (peut se faire aussi en pressant N)
Espace, (la touche), donne accès aux principaux menus
presser la touche Shift en même temps que le bouton droit de la souris, permet de
sélectionner plusieurs objets.
B, permet de faire un cadre pour sélectionner plusieurs objets ou arêtes en même
temps.
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De même l’usage d’un pavé numérique est fort utile :
0, Vue Caméra
1, Vue de face
3, Vue de profil
4 et 6, rotation autours de l’axe vertical (de la mire)
2 et 8, rotation autours de l’axe horizontal
5, Vue droite ou en perspective
7, Vue du dessus
Note à propos des calques :
Les chiffres de 1 à 0 (sur le haut du clavier et non ceux du pavé numérique) servent à rendre actif le
calque correspondant. En appuyant sur Shift simultanément, on sélectionne plusieurs calques.
Dans le didacticiel qui suit, j’utilise le sur−lignage jaune pour les touches du clavier et des
caractères bleus pour les données à entrer en machine ou les endroits où cliquer à l’écran.
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2.2 La boîte de Cornell en surfaces 3D
Comme par défaut il y a un plan carré et une caméra dans chaque nouveau fichier,
commencer par les effacer. Sélectionner les deux objets (dont la caméra) en pressant la touche A.
Puis presser la touche Suppr. et dans le cadre qui apparaît, cliquer (clic gauche) sur Erase
Selected.
Les deux objets disparaissent.
Création de la boîte :
Tout d’abord, ne pas déplacer le repère. Pour être sûr qu’il est bien placé, presser Shift+C.
Presser la touche Espace et dans le menu, choisir Add, Mesh puis Plane.
Un petit plan apparaît (en vue de dessus) et en mode édition. Presser Tab pour sortir de ce dernier.
Presser ensuite N pour modifier ses dimensions. Dans le cadre qui apparaît, cliquer (clic gauche)
sur SizeX en pressant la touche Shift (pour pouvoir entrer directement la taille en chiffre), avec
SizeX et SizeY = 15.00 . Puis cliquer sur Ok. Attention si le curseur de la souris sort du cadre sans
avoir validé, cela annule les changements.
Ce sera la base de la boîte.
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Se placer ensuite en vue de profil (3 sur pavé numérique) et presser Espace, puis Add,
Mesh et Plane, pour créer l’une des parois verticale. Le nouveau plan est centré sur la mire. Presser
Tab, puis N et entrer les valeurs de SizeX et SizeY=15, puis pour modifier la position de la parois,
mettre LocZ=15 pour un déplacement vertical de 15 unités (correspond à 15 carreaux de la grille).
Globalement, cela signifie que si l’on travaille en centimètres, chaque carreau correspond à 0,5 cm.
Se placer ensuite en point de vue vertical (7 pav. Num.). Presser ensuite Shift+D pour le copier et
créer la parois de droite. Le nouveau plan apparaît en surbrillance et est prêt à être déplacé. Cette
fois, maintenir la touche Ctrl et faire glisser la souris sur la droite, en utilisant la grille comme
repère, et amener ainsi le plan à droite.
Cliquer (droit) sur la parois restée au centre, puis Shift+D et faire comme ci−dessus en l’amenant à
gauche.
La parois restée au centre va servir à faire le fond. La sélectionner avec un clic droit, puis presser la
touche N pour modifier les paramètres suivants – RotZ= 0 (rotation à 90° par rapport à l’axe Z) et
LocY= 15 (déplace l’objet de 15 unité en Y).
A l’aide du bouton du milieu, changer de point de vue pour vérifier que la boîte est correcte :
En rose, le fond, dernier plan créé. A noter que chaque plan ou objet est doté d’un point en son
centre. Il permet un alignement plus facile avec la gille et le repère, à l’aide de l’accroche
automatique.
Penser aussi à faire des sauvegardes régulières en pressant Ctrl+W :
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Il reste à faire le dessus de la boîte. Passer en vue de profil (3) puis sélectionner tous les objets A
puis G et simultanément Ctrl pour déplacer l’ensemble vers le bas, sous la ligne verte de la mire et
le repère. Passer alors en vue de dessus (7).
le dessus de la boîte est composé de quatre plans (deux de 15x5,5 et deux de 4x5,5 – ce qui
correspond à un carré de 15cm avec en son centre un vide carré de 4cm de coté).
Presser la touche Espace, puis Add, Mesh et Plane, puis Tab et N. Entrer les valeurs suivantes :
Créer le deuxième type de plan en procédant de la même manière, avec ces valeurs :
Il reste alors à dupliquer ces objets (Shift+D) et à les déplacer symétriquement par rapport à la mire
et à l’aide de la grille (en pressant Ctrl lors du déplacement) :
Se placer en vue de profil (3), puis sélectionner tous les objets A et déplacer le tout G (et Ctrl) pour
avoir le plan du fond sur la ligne verte de la mire. Puis se placer en vue de dessus (7).
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Création des objets dans la boîte :
Il s’agit d’obtenir la disposition suivante, avec plus ou moins de précision (les valeurs sont en cm) :
Pour chaque cube, presser la touche Espace, puis Add, Mesh et Cube, puis Tab et N. Entrer alors
les valeurs suivantes :
petit cube
grand cube
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Création de la camera :
En vue de face (1), presser la touche Espace, puis Add et Camera. Cet objet n’est pas déformable ;
presser directement N. Entrer les valeurs suivantes : LocX= 0 ; LocY= −190 ; LocZ= 15.
Éditer la caméra (F9) pour modifier certaines données (objectif, profondeur de champ, ...). Mettre
les valeurs comme ci−dessous :
Lens, sert à modifier la valeur du zoom
ClipSta, est la limite du début du champ de vision
ClipEnd, est la profondeur de champ
DrawSize, contrôle la taille de la caméra (aucune incidence sur le rendu)
Création de l’éclairage :
En vue de dessus (7), presser la touche Espace, puis Add et Lamp. Comme elle est située au niveau
du socle de la boîte, se mettre en vue de profil (3) puis déplacer la source lumineuse (G) vers le
sommet de la boîte.
Par défaut, il s’agit d’une source lumineuse basique. Pour la modifier ouvrir le menu Lamp (F4).
Les fonctions encadrées en rouge sont les plus utiles pour cet exemple. Seul le spot génère des
ombres portées. Il est possible par exemple de mettre une lampe dans un calque et faire en sorte
qu’elle ignore les objets qui ne figurent pas dans ce calque.
J’ai utilisé plusieurs sources de type, de couleur, de forme différentes pour le rendu scanline.
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Création des matériaux :
Se mettre en point de vue Camera (0). Sélectionner la parois de gauche (rouge). Aller dans le menu
Matériaux (F5) dont le menu est vide lorsqu’aucun matériau n’est présent. Cliquer ensuite, comme
indiqué ci−dessous, sur le bouton permettant de créer un nouveau matériau.
Cela donne accès au menu de création de matériau :
Les fonctions sont nombreuses ; je ne montre ici que celles utiles à l’exemple.
(1) cliquer ici pour nommer le matériau
(2) pour modifier la couleur
(3) change l’affichage du matériau (aucune incidence sur le rendu)
(4) permet entre autre de modifier la dureté du matériau (rugueux, lisse, ...)
(5) permet entre autre de changer la transparence (Alpha) et si le matériau émet ou non de la
lumière (Emit)
Les matériaux rouge et bleu définis pour Autocad, à l’aide de Paint Shop Pro, ont des valeurs RGB
comprises entre 0 et 255, tandis que les valeurs RGB dans Blender sont comprises entre 0 et 1. Pour
passer les valeurs du logiciel de retouche à celles de Blender, il faut donc faire 1/255 = 0.003922 à
multiplier par chaque valeur RGB du logiciel de retouche photo :
Logiciel Photo Blender
Rouge R
Bleu
246
0.965
G
82
0.322
B
47
0.184
R
66
0.259
G
176
0.690
B
229
0.898
Les valeurs dans la dernière colonne sont à entrer dans Blender.
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Toujours dans le menu des matériaux, dans (2), choisir RGB (par défaut) et entrer les valeurs
comme suit (pour entrer les valeurs, faire un clic gauche près de la valeur d’origine, en pressant
Shift) :
Rouge
Bleu
En ce qui concerne les valeurs dans les parties (4) et (5) , je les ai déterminé à tâtons, cherchant à
obtenir le résultat le plus juste pour le rendu.
Faire de même en sélectionnant chaque élément de la boîte et les objets (blanc). Après avoir créé un
matériau sur un objet, sélectionner un second objet (en dé−sélectionnant le premier). Cliquer sur le
bouton Nouveau, pour choisir le matériaux « blanc » que l’on vient de créer.
Lorsqu’il n’y avait qu’un objet attaché au matériau « blanc », son nom apparaissait sur fond gris.
Dès que l’on attache un objet supplémentaire, le fond change de couleur et le nombre d’objets
attachés apparaît.
J’ai différencié le blanc de la boîte de celui des objets (dans la boîte réelle ce ne sont pas les mêmes
matériaux) :
Blanc des objets
Blanc de la boîte
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Application de textures :
Cela ne m’a pas paru indispensable mais cela peut ajouter des effets intéressants. L’ajout d’une
texture sur un matériau permet par exemple de rajouter du relief, un aspect particulier, ou plus
simplement une image et, en conservant les propriétés du matériau (s’il émet de la lumière, ...).
(1) cliquer ici pour ouvrir le menu Textures (F6)
(2) pour nommer la texture, ou en ajouter une nouvelle – en cliquant sur le bouton à gauche du nom
(3) spécifie qu’il s’agit d’une image (le menu change en fonction de ce choix ou d’un autre)
(4) permet d’accéder à l’explorateur d’images (pour charger la texture)
(5) sert à choisir parmi les différents types de textures que Blender peut générer (là aussi le menu
s’adapte)
Il faut savoir que l’on est obligé d’avoir un matériau comme support à la création d’une texture.
Commencer par choisir la parois rouge (gauche) d’un clic droit. Cliquer sur le bouton des Textures
(F6) puis renommer la texture (2) (éventuellement – on peut conserver le nom du matériau). Choisir
le type de texture, ici à partir d’une image (3), que l’on va chercher à l’aide d’un explorateur
(attention seuls les formats les plus courants sont reconnus).
Une fois l’image choisie, régler les différents paramètres dans le menu.
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2.3 Le rendu scanline
Ouvrir le menu Rendu (F10) dont voici l’essentiel :
(1) cliquer ici pour que les ombres soient calculées (inactif par défaut)
(2) pour modifier la résolution (pour les essais, la laisser comme ci−dessus pour un
calcul rapide)
(3) pour choisir le format du fichier de sortie
Pour lancer le rendu, presser la touche F12. Il est possible de faire de nombreux essais sans avoir à
enregistrer une image.
Lorsque le résultat est intéressant après plusieurs calculs de rendus
(après avoir modifié les sources lumineuses, les matériaux, ... −
lorsque nécessaire) presser la touche F3 pour enregistrer le fichier
image.
Les formats de fichiers reconnus sont précédés d’un carré bleu. Après avoir nommé le fichier (sans
oublier son extension), cliquer sur Save.
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2.4 La boîte de Cornell en volumes 3D
Comme il s’agit de volumes et que les parois ont une épaisseur, il est compréhensible
que leurs dimensions tiennent compte de celle−ci.
Création de la boîte :
Presser Shift+C pour avoir le repère sur la mire. Presser la touche Espace et dans le menu, choisir
Add, Mesh puis Cube.
Un petit cube apparaît (en vue de dessus) et en mode édition. Presser Tab pour sortir de ce dernier.
Presser ensuite N pour modifier ses dimensions. Pour la suite, procéder comme pour la boîte en
surfaces 3D, donc s’y reporter pour plus de détails. Voici les coordonnées pour chaque volume :
1
2
3
4
5
6
7
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Création des objets dans la boîte :
Procéder de la même manière que pour la précédente boîte, mais les valeurs changent du fait de
l’épaisseur de la base.
petit cube
grand cube
Création de la camera :
Procéder de la même manière que pour la précédente boîte.
Création de l’éclairage :
La radiosité dans Blender, n’est pas calculée à partir d’une source lumineuse de type classique
(Spot, Hemi, ...) propre au moteur de rendu de base (scanline, lancé de rayon, ...), mais à partir d’un
ou plusieurs objets qui émettent de la lumière et reprennent la forme des sources lumineuses. Par
exemple, pour simuler une ampoule électrique, on fait une sphère puis dans le menu Matériaux (F5)
on créer un matériau émetteur (Emit). Dans le cas de ce travail, la source lumineuse est un tube
néon basse tension d’une lampe de bureau. Sa section (réflecteur compris) est un demi−cylindre.
C’est donc la forme qu’il faut reproduire.
Pour le rendu final, on utilise le résultat du calcul de la radiosité (qui apparaît sous la forme d’un
nouveau maillage) et on lance un rendu de base en scanline, pour lequel on utilise les sources
lumineuses de type classique. Pour ne pas « mélanger » les objets, suivant le moteur de rendu ou le
calcul, la lampe pour la radiosité est créée dans un autre calque.
Pour rendre les deux calques visibles et le 2ème actif, cliquer sur le 1er (voir ci−dessus), presser
Shift et cliquer sur le 2ème.
Mais pour plus de visibilité, il est possible de ne travailler que dans le 2ème calque en laissant le 1er
inactif.
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Passer en vue de profile (3) et presser la touche Espace et dans le menu, choisir Add, Mesh puis
Cylinder , laisser le nombre d’arêtes à 32 (Ok). Pour gagner en temps de calcul de la radiosité, il
est possible de les diminuer. Un cylindre apparaît de face. Presser Tab puis N et entrer les
dimensions du cylindre.
LocZ est variable, dans la mesure où la hauteur de la lampe par rapport à l’ouverture de la boîte fait
énormément varier l’éclairage lors du calcul de la radiosité.
Il existe plusieurs méthodes pour modifier le cylindre. La plus simple est de déplacer les arêtes sous
l’axe horizontal, vers le centre de cylindre.
Revenir en mode édition (cylindre actif = en rose) en pressant la touche Tab.
Presser la touche B (le curseur qui était une croix
devient une mire). Faire un cadre de
sélection, sans relâcher la souris, pour avoir l’ensemble des arêtes sous l’ axe horizontal.
Les arêtes sélectionnées deviennent jaunes. Presser Shift+S pour avoir accès à l’accroche
automatique et choisir Sel > Curs.
L’ensemble des arêtes sélectionnées se retrouvent sur le
curseur, au centre du cylindre.
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Mais cela rend le calcul de la radiosité long et surtout lent, au risque de bloquer
l’ordinateur. Dans le cas d’un PC ancien (par exemple un PII 400 – ce qui est mon cas), il est
préférable d’utiliser un cube comme base.
Passer en vue de profile (3) et presser la touche Espace et
dans le menu, choisir Add, Mesh puis Cube. Presser Tab
puis N et entrer les dimensions du cylindre (SizeX= 7 ;
SizeY= 4 ; SizeZ= 20 ). Le cube est placé à LocZ= 47.
Ensuite, de la même manière que le cylindre, déformer la
section du cube pour obtenir un trapèze (utiliser Ctrl pour
déplacer les arêtes sur la grille).
Création des matériaux :
Pour la radiosité, les matériaux et textures ne sont pas utiles, sauf dans les cas où l’on sait que la
couleur d’un objet (texturé ou non) à de l’importance. Dans le cas de la boîte de Cornell, les
couleurs rouge et bleue se propagent sur les différents éléments de la boîte. Il est donc nécessaire de
créer de nouveaux matériaux uniquement pour les parois colorées, et un troisième matériau pour la
lampe.
Voici les données pour ces matériaux :
Lampe (demi−cylindre)
Rouge (parois gauche)
Bleu (parois droite)
Pour obtenir un résultat proche de Desktop Radiance, utiliser les données ci−dessous
Attribuer chaque matériau à l’objet correspondant et sauver ce travail (penser à le faire
régulièrement).
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2.5 Le calcul de la radiosité
L’idéal est de travailler sous un autre fichier pour plus de sécurité (donc si possible
dupliquer le fichier avant de commencer).
Sélectionner le calque contenant l’objet représentant la lumière et celui contenant la boîte.
Choisir tous les objets (presser A) et cliquer sur le bouton Radiosité.
Voici une description sommaire du menu :
(1) première étape, choisir les éléments qui doivent être pris en compte dans le calcul
(2) indique la phase en cours – il y en a plusieurs durant le traitement, avant et après le calcul
(3) définit la qualité de la représentation (aucune incidence sur le calcul)
(4) détermine la taille du maillage (pour le calcul)
(5) affine le calcul (le temps n’en sera que plus long)
(6) pour lancer le calcul
(7) libère la mémoire affectée au calcul de la radiosité (si le calcul est en cours, presser Esc avant)
(8) remplace les objets calculés par le résultat (s’utilise après avoir lancé le calcul)
(9) ajoute le résultat sous la forme d’un nouvel objet (s’utilise après avoir lancé le calcul)
Après avoir choisi l’ensemble des objets, cliquer sur le bouton (1) , les objets apparaissent en
couleur. Cliquer sur Go (6) pour lancer le calcul.
Dans un premier temps, les objets deviennent noir et le curseur change
. Les chiffres qui y
défilent permettent surtout de vérifier que l’ordinateur réalise bien le calcul . Peu à peu la scène
s’illumine et l’on voit les zones calculée s’afficher.
Une fois le calcul achevé, dans le haut du menu (2) la phase indique FINISHED et
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l’image montre un rendu plus ou moins clair (que l’on augmente par la suite avec le rendu
scanline).
Cliquer sur Add New Meshes (9) puis sur Free
Radio Data (7) ; on se retrouve avec un
maillage dense (c’est le résultat) et le curseur
est redevenu une flèche.
Presser A pour tout dé−sélectionner puis F9 pour aller dans le menu Edition. Faire un clic gauche
sur le maillage pour le sélectionner et cliquer sur le quatrième calque.
A NOTER : Ce n’est pas le cas dans cet exemple, mais s’il est nécessaire d’appliquer des textures,
il faut d’abords séparer les différents éléments à texturer. Les objets ont été fusionnés pour donner
ce résultat après calcul, mais il est possible de les détacher car leurs liens de création ont été
conservés.
N’activer que le quatrième calque (pour voir uniquement le nouveau maillage).
Rester dans le menu Edition et presser Tab pour activer les arêtes. Faire un clic droit au milieu de
la parois droite (cela active une arête). Presser L (active toutes les arêtes liées) puis P pour les
séparer de l’ensemble. Faire la même chose avec la parois gauche. Pour un objet dont plusieurs
faces sont à texturer, il faut les traiter une à une. A moins que sous un certain angle seules ses arêtes
soient visibles, dans ce cas il est possible de presser B pour faire un cadre de sélection.
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2.6 Scanline et radiosité
C’est la dernière phase pour faire un rendu en radiosité. Mais il
manque tout de même une source de lumière compatible avec ce mode
de rendu. Elle donnera un éclairage d’ambiance.
Passer en vue de profil (3), presser la touche Espace, puis Add et
Lamp. Vérifier que la nouvelle source est bien centrée et sous l’objet
simulant la lampe.
Presser F4, laisser le type de lampe par défaut et mettre la valeur Energy= 0.6 .
Enfin, presser F10, vérifier les paramètres de la résolution et pour terminer, presser F12 pour lancer
le dernier rendu scanline avec radiosité (F3 pour enregistrer l’image).
C’est là l’intérêt d’utiliser des calques. Si cette image ne convient pas, effacer le maillage (laisser
la lampe, elle resservira) et remettre actifs les deux calques d’origine (boîte et lampe). Modifier les
paramètres de la texture émettant de la lumière et / ou ajuster les paramètres du menu Radiosité
(après avoir cliqué sur Collect Meshes). Puis cliquer sur Go. Recommencer ainsi jusqu’à obtenir le
résultat le plus satisfaisant.
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BIBLIOGRAPHIE
Les applications :
Autocad − logiciel de CAO
http://www.autodesk.fr/
Desktop Radiance − module se greffant sur Autocad, pour faire de la radiosité
http://radsite.lbl.gov/deskrad/
Blender − logiciel gratuit et ouvert (sources disponibles) de création d’images de
synthèse, animation, montage audio et vidéo
http://www.blender.org
Crossroad − utilitaire gratuit de conversion de format 3D
http://www.europa.com/~keithr/crossroads/download.html
GIMP − logiciel gratuit et ouvert de manipulation et de retouche d’image (comparable
à Adobe Photoshop)
http://www.gimp.org
Sur le Web :
« La lumière » , par Patrick Hébert (2003)
http://www.intl−light.com/handbook/ch07.html
« Glossaire illustré des Termes techniques à l’usage de l’infographiste » ,
par André Pascual
http://www.linuxgraphic.org
Université de Cornell
http://www.graphics.cornell.edu/online/box/
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