Gestion de scène pour les moteurs 3D

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1 Gestion de scène pour les moteurs 3D Mémoire de recherche Nicolas Baillard Promotion : M2IRT 2009 Option : Ingiénerie des jeux vidéo (IJV) juillet 2009 ITIN 10, avenue de l Entreprise Parc Saint-Christophe Cergy-Pontoise Cedex

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3 1. Résumé et remerciements 1.1 Résumé La gestion de scène est une technique à la base du rendu 3D moderne. Elle est apparue avec les premiers moteurs 3D, et depuis elle n a jamais cessé d évoluer et de se diversifier. Aujourd hui, les utilisations qui en sont faites sont aussi variées que les algorithmes qu elle utilise. Dans ce mémoire, après avoir décrit ce qu est la gestion de scène, son fonctionnement et son apport au domaine du rendu 3D, nous nous interrogerons sur son évolution future. Comment la gestion de scène peut-elle s adapter aux dernières générations de processeurs et de cartes graphiques? Comment peut-elle contribuer à l augmentation de la qualité des rendus 3D? Quelles nouvelles fonctionnalités peut-elle apporter aux applications 3D de demain? 1.2 Abstract Scene management is one of the base technique used by modern 3D engines. It appeared with the first 3D engines and, since then, it has constantly been improving. Today, it is used in many different ways and uses many different algorithms. In this paper, we are going to describe with details what scene management is, how it works and how 3D rendering benefits from it. Then, we will describe its possible future evolutions. How can scene management techniques be adapted to take advantage of the latest generations of processors and graphic cards? How will it increase the quality of 3D rendering? What new features will it bring to tomorrow s 3D softwares? 1.3 Remerciements Tout d abord, je tiens à remercier vivement M. Pierre Morcello d avoir accepté d être mon tuteur et de m avoir guidé et soutenu dans la réalisation de ce projet. Son expérience et sa connaissance intime du domaine m ont été très précieuses. Je remercie aussi tout particulièrement M. Florent Michel, qui encadre notre formation avec dynamisme et clairvoyance ; il a su constamment renouveler son contenu et la placer systématiquement en phase avec l évolution des technologies. Enfin, je tiens à remercier chaleureusement mon ami Arnaud Boidard pour son enthousiasme communicatif. Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

4 2. Table des matières 3. Définition du sujet La recherche sur rendu 3D Définition d un moteur 3D Définition de la gestion de scène Questions fondamentales du mémoire 5 4. Analyse de l existant Environnement Le développement des moteurs 3D Le développement des processeurs multicœurs Audit/diagnostic de l existant Le rendu 3D Le rendu temps réel Les GPU Per formance et frame rate Le pipeline graphique Structure des moteurs 3D Ce qui pose des problèmes de per formances Les techniques d optimisation utilisées aujourd hui Culling basé sur le graphe de scène Les arbres BSP Les portails Octree et quadtree Adaptativ binary tree Mélange de plusieurs systèmes de culling L occlusion dynamique Anti-portails Occlusion map Test d occlusion utilisant le GPU Niveaux de détail Imposteurs Atlas de textures Terrain Voxel Paging et chargement en tâche de fond Optimisation de l utilisation de système de rendu Cohérence temporelle Utilisations actuelles des gestionnaires de scène Critique de l existant Faiblesses des algorithmes existants Faiblesses des implémentations existantes Méthodes/démarches utilisées Description des améliorations Améliorations souhaitables Solutions possibles Choix des solutions et argumentation/justification du choix 67 2/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

5 7. Description détaillée de la solution choisie L utilisation du multithreading pour gagner en per formance Facteurs limitants l efficacité du multithreading Synthèse des résultats Enseignements tirés, apport du travail Conclusions générales, perspectives d avenir Bibliographie Webographie Terminologie Abréviations Glossaire 82 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

6 3. Définition du sujet 3.1 La recherche sur rendu 3D La recherche sur rendu 3D en temps réel a connu, au cours de ces dernières années, un essor phénoménal. Le grand intérêt porté à ce sujet est principalement dû à l industrie du jeu vidéo, secteur très porteur et lucratif. Les progrès réalisés dans le domaine rendu 3D temps réel, qui offre des images toujours plus époustouflantes, est principalement attribué à l évolution du matériel informatique. S il est vrai que la puissance des processeurs et des cartes graphiques compte pour beaucoup, il ne faut pas pour autant occulter les évolutions du logiciel. Les programmes ont suivi les progrès du matériel de façon à mieux en tirer profit et à simplifier son utilisation. La structure des applications réalisant du rendu 3D temps réel et les algorithmes qu elles utilisent représentent désormais un domaine de recherche à part entière. Ce mémoire traite de la gestion de scène. Il s agit d une technique logicielle utilisée par les applications 3D actuelles pour optimiser le rendu. Je présenterai son utilisation, la façon dont elle s est développée et proposerai des améliorations destinées à mieux tirer profit du matériel informatique récent, en particulier les processeurs multicœurs. 3.2 Définition d un moteur 3D Un moteur 3D (3D engine en anglais) est une librairie destinée à faciliter le développement d applications 3D temps réel. Leurs domaines d utilisation sont : - les jeux vidéo, - les interfaces homme-machine, - les programmes de simulation, - la réalité augmentée, - les effets spéciaux, - l imagerie médicale, - certaines applications scientifiques. Tout programme réalisant des images en 3D repose sur un système de rendu. Il s agit d un système capable de transformer un ensemble de données dans un espace 3D en une image 2D. Les plus utilisés aujourd hui sont les implémentations d OpenGL ou de DirectX. Un système de rendu est un programme de bas niveau, compliqué à appréhender et à utiliser. Travailler avec un système de rendu implique d utiliser des données 3D sous leur forme la plus primitive : des points, des polygones, des textures et des transformations géométriques sous forme de matrices. De plus, pour l utiliser il faut prendre en compte de nombreuses contraintes liées à son implémentation et à ses limitations. Le rôle du moteur 3D est de totalement masquer le système de rendu et d offrir aux 4/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

7 développeurs une interface de haut niveau bien plus simple à utiliser. Un développeur utilisant un moteur 3D peut concevoir son application à la façon d un metteur en scène, c est-à-dire en plaçant des éléments (personnages, objets ) dans un espace à trois dimensions appelé scène et en définissant un ou plusieurs points de vue en plaçant des caméras. En plus de cette simplicité d utilisation, le moteur 3D optimise l utilisation du système de rendu, permettant ainsi de gérer des scènes toujours plus complexes sans alourdir la tâche de ce dernier. En plus du rendu, la plupart des moteurs 3D prennent en charge d autres opérations comme : - le chargement des ressources (modèles, textures ) à partir de fichiers ou d archives compressées, - la gestion de modèles animés, - la gestion de différents effets spéciaux comme les particules. Par contre, le terme moteur 3D n englobe pas d autres composantes non liées au rendu 3D mais que l on retrouve fréquemment dans les applications 3D temps réel, comme la simulation physique, la détection des collisions, la gestion du son spacialisé Une librairie incluant ces éléments en plus d un moteur 3D est appelée moteur de jeu (game engine). 3.3 Définition de la gestion de scène Un gestionnaire de scène est l un des éléments principaux qui composent un moteur 3D. Il a la charge du placement des éléments sur la scène, qu il s agisse de modèles, d éclairages ou de caméras. Au fur et à mesure que les développeurs ont voulu créer des scènes plus complexes, plus grandes et avec plus d éléments, le gestionnaire de scène est devenu de plus en plus un facteur d optimisation. Les gestionnaires de scène utilisés dans les moteurs 3D actuels sont capables de réaliser des opérations comme : - le frustum culling, c est-à-dire l élimination des éléments de la scène qui sont hors du champ de vision de la caméra ; - l occlusion culling, c est-à-dire l élimination des éléments de la scène qui sont masqués par d autres ; - la gestion de la mémoire pour ne charger que les modèles et les textures utilisés par la partie visible de la scène ; - le level of detail, c est-à-dire le rendu en mode dégradé des éléments de la scène les plus éloignés de la caméra. Toutes ces techniques d optimisation font encore l objet de recherches aujourd hui. 3.4 Questions fondamentales du mémoire Le principal objectif d un gestionnaire de scène est d optimiser la vitesse de rendu d un moteur 3D. Or, pour optimiser un système, il convient en premier lieu d identifier les Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

8 facteurs qui dégradent le plus ses performances et de s y attaquer en priorité. Avec l évolution technologique du matériel, on constate que les facteurs qui limitent les performances des applications actuelles ne sont pas les mêmes que précédemment. Quels sont, aujourd hui, les facteurs qui limitent les performances des applications 3D temps réel? Il y a encore quelques années, le facteur le plus limitant était le nombre de polygones dessinés. Envoyer au système de rendu une quantité trop importante de polygones à dessiner dégradait fortement la fluidité de l application. Pour cette raison, les gestionnaires de scènes ont été principalement développés pour optimiser le nombre de polygones envoyés au système de rendu en supprimant les parties non visibles de la scène parce que hors champ de la caméra ou masquées par d autres parties. Aujourd hui, grâce à l évolution du matériel, le nombre de polygones n est plus le facteur le plus problématique (même s il reste important). Les performances sont désormais principalement limitées par l utilisation toujours plus intensive des shaders et l occupation mémoire des textures toujours plus grandes. Les dernières recherches en matière de rendu 3D portent sur l optimisation de ces deux facteurs. Comment les gestionnaires de scène peuvent-ils contribuer dans cette situation? Les développeurs d applications 3D cherchent à rendre des scènes toujours plus grandes et plus complexes. On peut voir, par exemple dans certains jeux vidéo de dernière génération, des scènes représentant une ville entière. Cette complexification des scènes augmente considérablement la taille des graphes de scène. Cela a un impact non négligeable sur les performances de l application car l augmentation de la taille du graphe de scène implique d avantage de calculs de la part du gestionnaire de scène lui-même. Dans de telles circonstances, la gestion de scène, dont le but premier est d optimiser la vitesse du rendu, risque à contrario de devenir un des facteurs limitant les performances de l application. Du côté du matériel, le tournant technologique actuel est la démocratisation rapide des processeurs multicœurs. On trouve couramment, dans les ordinateurs récents, des processeurs dotés de quatre cœurs, et ce nombre devrait grandir exponentiellement dans les prochaines années. Cette technologie offre de nouveaux espoirs de performances aux développeurs de moteurs 3D. Un processeur multicœurs permet à une application souhaitant réaliser des calculs intensifs de répartir ces calculs sur tout ou partie des cœurs. Le temps de calcul global d une opération complexe peut s en trouver considérablement réduit, on parle alors de parallèlisme. Mais cela implique que le programme ait été spécialement conçu pour tirer parti des possibilités offertes par ces processeurs. Si le parallèlisme ne peut pas être utilisé pour optimiser n importe quel algorithme, peut-il être utilisé pour optimiser l utilisation des graphes de scène? Comment les gestionnaires de scène peuvent-ils tirer parti de cette technologie pour augmenter leurs performances? 6/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

9 4. Analyse de l existant 4.1 Environnement Le développement des moteurs 3D Les développeurs d applications 3D temps réel, et tout particulièrement l industrie du jeu vidéo, sont toujours à la recherche de solutions techniques pour produire des graphismes plus beaux, des effets plus saisissants et des scènes plus vastes et plus riches. L enjeu est conséquent, sur l année 2008 les jeux vidéos dans le monde représenteraient un marché de millions d euros pour les jeux consoles et 3 493,5 millions d euros pour les jeux PC (source AFJV etude.htm). Aujourd hui, les studios de développement de jeux vidéos ne produisent que très rarement leurs moteurs 3D eux-mêmes. Étant donné l ampleur de la tâche, ils préfèrent acheter des licences d utilisation pour des moteurs développés par les entreprises spécialisées (CryEngine, Unreal Engine, Source Engine ) ou utiliser des produits opensource (Ogre, Irrlicht ). Le plus gros de la recherche sur les techniques de gestion de scène est réalisé par les développeurs de moteurs 3D mais aussi dans le domaine universitaire où de nombreuses thèses sont disponibles sur le sujet Le développement des processeurs multicœurs Concernant les processeurs multicœurs, Intel est le fondeur qui a le plus investi dans cette technologie. Il est donc dans son intérêt d encourager le plus possible son utilisation. Malheureusement pour lui, même si cette technologie est très prometteuse, elle reste difficile à utiliser et les programmeurs qui sont formés à son utilisation sont encore trop rares. Intel cherche donc à séduire les programmeurs en leur offrant des outils de développement dédiés et opensource (on peut notamment citer la librairie Threading Building Blocks) ainsi que de la documentation. Des recherches sur l utilisation des processeurs multicœurs dans les jeux vidéos, et plus précisément dans les moteurs 3D et les moteurs physiques, ont été publiées. 4.2 Audit/diagnostic de l existant Le rendu 3D La dénomination images 3D est le nouveau nom donné à ce qu on appelait dessin ou peinture en perspective à la Renaissance. Il s agit d une technique graphique permettant de donner une impression de relief et de profondeur à un observateur placé devant une image plate. La génération d images de synthèse en 3D par ordinateur repose sur les mêmes principes de projection sur un plan que ceux utilisés dans le domaine artistique. En informatique 3D, une image est obtenue à partir d un ensemble de données numériques représentant des formes dans un espace à 3 dimensions. Un système de rendu 3D est capable de produire une image 2D à partir de cet ensemble de données et d un point de vue dans l espace. Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

10 4.2.2 Le rendu temps réel Il est possible d utiliser un système de rendu 3D pour créer des animations. Pour donner l illusion du mouvement, on crée une série d images à partir des mêmes données numériques de départ mais en les modifiant légèrement entre chaque image. Ces images peuvent ensuite être projetées sur un écran tel un film de cinéma. Le domaine de l animation 3D se scinde en deux grands ensembles : la 3D précalculée et la 3D temps réel. La 3D précalculée est utilisée dans des applications qui ne requièrent pas, ou peu, d interactivité avec l utilisateur. Par exemple un film de cinéma. C est une technique en deux temps. D abord les images d une animation 3D sont calculées et stockées. Une fois qu elles sont toutes générées, l animation peut être affichée. Avec une telle technique, le temps de calcul du rendu importe peu, seul compte le résultat. S il est nécessaire d obtenir des images de très bonne qualité, on n hésitera pas à faire travailler le système de rendu pendant plusieurs heures (voire plusieurs jours) pour obtenir une animation de seulement quelques minutes. Au contraire, la 3D temps réel est utilisée dans les applications à forte interactivité, typiquement les jeux vidéos. Dans ce type d application, les images générées par le système dépendent entièrement des actions de l utilisateur. Il est donc difficile de les calculer à l avance. En 3D temps réel, les images sont calculées au fur et à mesure qu elles sont affichées. Le temps de calcul d une image devient le facteur déterminant, s il n est pas possible d afficher suffisamment d images suffisamment vite l utilisateur perdra l illusion du mouvement. On n hésite donc pas à diminuer la qualité des images générées pour accélérer leur temps de calcul. Les différences de contrainte entre la 3D précalculée et la 3D temps réel sont tellement importantes que chacune de ces disciplines est devenue un domaine de recherche à part entière, utilisant des techniques et des algorithmes totalement différents. Dans la suite de ce mémoire, nous ne traiterons que de la 3D temps réel, qui est le domaine qui connaît aujourd hui le plus grand essor, notamment à cause du secteur des jeux vidéos Les GPU Un GPU (Graphic Processing Unit) est un micro-processeur dédié au calcul d images 3D en temps réel. Ils ont été conçus pour soulager les CPU (Central Processing Unit), c est-à-dire les processeurs principaux, d une partie des opérations nécessaires au rendu d images 3D en temps réel. Dans les années 90, le succès des premiers jeux vidéos en 3D a poussé au développement d applications capables d afficher en temps réel des images de meilleure qualité, mais les processeurs équipant les ordinateurs de l époque se sont montrés incapables de supporter une telle quantité de calculs. Certains processeurs dotés de structures et de jeux d instructions spécifiques pour le rendu 3D sont apparus (notamment la technologie MMX d Intel). Mais cette solution a été rapidement supplantée par la technique qui consiste à déléguer les calculs graphiques à un GPU séparé du CPU. Cependant, la barrière fonctionnelle entre CPU et GPU est aujourd hui de plus en plus floue. Si les GPU d autrefois étaient entièrement dédiés au calcul graphique, ceux d aujourd hui peuvent être utilisés pour toutes sortes d applications requièrant du calcul intensif (simulation physique, analyse anti-virus ). D un autre côté, le développement 8/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

11 des processeur multicœurs pourrait, dans les années à venir, permettre de produire des processeurs capables d effectuer du rendu 3D temps réel sans l aide d un GPU Per formance et frame rate Le rendu temps réel se fait par frame. Une frame est une image affichée à l écran à un instant donné. La fluidité de l application dépend du nombre de frames par seconde que le système peut afficher. On parle de frame par seconde, ou de framerate en anglais. Le framerate est le point crucial de toute application 3D temps réel. S il est trop faible, l utilisateur sera frustré. Dans certains cas, un mauvais framerate peut entraîner chez l utilisateur une cinétose, c est-à-dire une sensation de mal de mer. Maintenir un framerate suffisant tout en générant des images de bonne qualité, tel est le défi de la programmation d applications 3D temps réel Le pipeline graphique Le pipeline graphique est le processus par lequel des données géométriques vectorielles tridimentionelles (points et polygones) sont transformées en pixels qui peuvent ensuite être affichés sur un écran. Il est divisé en trois étapes appelées : applicative, géométrique et discrétisation. Une frame doit passer par ces trois étapes avant d être affichée. La phase applicative, comme son nom le laisse supposer, est purement logicielle, contrairement aux deux autres qui sont généralement implémentées matériellement sur le GPU. C est sur cette phase que le développeur d applications 3D temps réel a le plus de contrôle. Selon l application, elle peut comporter des opérations sans lien direct avec le rendu 3D, tel que de la simulation physique ou de l IA par exemple. Son rôle est d envoyer dans le pipeline graphique les données vectorielles tridimensionelles qui doivent être affichées. Le rôle de la phase géométrique est de transformer ces données vectorielles 3D en données vectorielles 2D, en réalisant des transformations mathématiques de projection. Enfin, la phase de discrétisation se charge de transformer ces données vectorielles 2D en données discrètes, c est-à-dire des pixels. Le principal problème du pipeline graphique est qu il s agit d un processus séquentiel, les données traitées doivent transiter par les trois phases l une après l autre. Une phase doit donc attendre que la phase précédente ait terminé son travail pour s exécuter. La vitesse d exécution de tout le pipeline graphique est donc pénalisée par la phase qui a le temps d exécution le plus long. Pour accélérer le rendu d une frame, le développeur d applications 3D temps réel doit en premier lieu déterminer quelle phase est la plus pénalisante et l optimiser pour réduire son temps d exécution. Lorsqu il n est plus possible de réduire le temps d exécution de la phase la plus pénalisante, la solution pour accélérer le rendu consiste à implémenter des optimisations dans les phases situées en amont de celle-ci de façon à ce qu elles lui envoient moins de données à traiter. Pour cette raison, la phase applicative influence beaucoup les performances globales de l application. En effet, c est elle qui donne des données à traiter aux deux autres phases. Si elle envoie moins de données à traiter dans le pipeline graphique, le temps d exécution des deux autres phases s en trouvera considérablement réduit. C est ici que les techniques de gestion de scène entrent en jeu. Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

12 4.2.6 Structure des moteurs 3D Les phases de géométrie et de discrétisation sont implémentées dans un programme appelé système de rendu ou renderer. Les implémentations d OpenGL ou de DirectX sont des systèmes de rendu parmi les plus utilisés. Un développeur d applications 3D temps réel qui utilise un système de rendu n a besoin de réaliser que la phase applicative, c est-à-dire celle qui envoie des données vectorielles tridimensionelles dans le pipeline graphique. Malgré cela, l utilisation d un système de rendu reste parliculièrement délicate et fastidieuse. D une part les données 3D sont représentées sous une forme particulièrement primitive (polygones, points, couleurs, textures ), d autre part certains effets tels que les ombres ou la transparence sont très complexes à réaliser. Pour cette raison, les développeurs d applications 3D temps réel préfèrent placer une couche logicielle supplémentaire entre le système de rendu et leur application : un moteur 3D. Image 1 Structure d une application 3D temps réel Les moteurs 3D masquent la complexité du système de rendu aux yeux du développeur. Celui-ci n a plus à manipuler les données 3D sous forme de points et de polygones, mais peut utiliser des objets de plus haut niveau. Il peut construire son application à la façon d un metteur en scène, en plaçant des éléments (des modèles, des animations, des éclairages, des effets spéciaux ) sur une scène virtuelle. En plus de cela, les moteurs 3D offrent, en général, les services suivants : - import de modèles créés dans des logiciels de modélisation 3D (3DS Max, Maya ), - gestion des modèles animés par squelettes ou morphing, - gestion de différents effets spéciaux (éclairages, ombres, transparence ), - choix du système de rendu à utiliser (entre OpenGL ou DirectX selon la plateforme par exemple). Les moteurs 3D actuels offrent tous une API fortement basée sur la programmation orientée objet. On y trouve toujours les mêmes types d objets, même si leur dénomination et leur utilisation varie d un moteur à l autre. Scène Tout d abord la scène. C est un espace à 3 dimensions représenté par un repère orthonormé d axes X, Y et Z. C est dans cet espace que l utilisateur du moteur 3D peut placer différents types d éléments (décors, personnages, effets spéciaux ) qui seront dessinés à l écran. Dans tous les moteurs 3D, la scène est gérée par un objet appelé gestionnaire de scène. Cet objet a la charge de maintenir une liste de tous les éléments présents sur la 10/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

13 scène afin de les envoyer au système de rendu lorsqu une frame doit être dessinée. En pratique, dans les moteurs 3D actuels, le gestionnaire de scène fait bien plus que cela. De nombreuses optimisations peuvent y être implémentées, nous les décrirons dans la suite de ce mémoire. Nœud Ensuite les nœuds (node). Ce sont des objets qui ont une position et une orientation sur la scène. L utilisateur peut les placer, les orienter et les faire bouger avec toute une panoplie de fonctions mathématiques offertes par le moteur 3D. Graphe de scène Les nœuds sont rangés dans une structure hiérarchique qui prend la forme d un arbre. Un nœud peut avoir plusieurs enfants mais seulement un parent. Ainsi, une transformation géométrique (translation ou rotation) appliquée sur un nœud se répercute sur ses descendants, ce qui permet de propager l opération à un groupe de nœuds. Cette structure hiérarchique est appelée graphe de scène. Une utilisation assez évidente du graphe de scène est la modélisation d un système solaire. Le nœud racine correspondrait au soleil. Les nœuds de chaque planète seraient des enfant du nœud soleil, et les nœuds des lunes seraient des enfants des nœuds de leur planètes respectives. Ainsi une rotation appliquée au soleil entraîne une rotation de toutes les planètes et de leurs lunes. La gestion de graphe de scène est confiée au gestionnaire de scène. Image 2 Graphe de scène représentant une partie du système solaire Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

14 Maillages Un maillage (mesh) est un objet qui peut être dessiné en 3D. Concrètement c est un ensemble de points, de polygones et de textures. Un maillage ne peut pas être placé directement sur la scène, il n a pas de position et d orientation, il faut utiliser des nœuds pour cela. Par exemple, pour réaliser une scène comportant trois personnages identiques, il faut un maillage qui représente le personnage et trois nœuds auxquels on va associer notre maillage. Image 3 La scène (à droite) comporte trois personnages identiques. Au niveau du moteur il n existe qu un seul objet maillage et trois objets nœud, un pour chaque personnage. Maillages animés Tout comme les maillages, les maillages animés sont composés de points et de polygones, mais possèdent en plus des informations permettant de changer dynamiquement la position des points. Typiquement, les maillages animés sont utilisés pour les personnages, pour faire bouger leurs membres ou modifier l expression de leur visage. Il existe deux techniques permettant d animer un modèle : les squelettes et le morphing. Les squelettes sont surtout utilisés pour faire bouger les membres des personnages (souvent la mâchoire aussi pour les faire parler). La technique consiste à mettre des os et à affecter un coefficient d influence aux sommets (vertex) du modèle par rapport aux os. Quand les os bougent, les sommets suivent. Cette opération se fait dans le logiciel de modélisation 3D et cela s appelle le skining. Il est généralement possible de placer des nœuds sur les os d un maillage animé de façon à ce que le nœud suive le déplacement de l os. Cette technique est utilisée pour fixer des éléments sur les membres d un personnage en mouvement, par exemple une arme tenue dans la main ou un casque porté sur la tête. Dans le cas du morphing les sommets transitent chacun depuis leur position initiale vers leur position finale selon une interpolation linéaire. Particules Les émetteurs de particules sont la base de la plupart des effets spéciaux visibles dans les applications 3D temps réel. Il s agit de systèmes capables de créer un grand nombre de petits objets, appelés particules, dans la scène. Selon le cas, ces objets peuvent être des modèles 3D, 2D ou simplement des points. En réglant de nombreux paramètres, 12/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

15 comme le nombre de particules émises, la fréquence d émission, la durée de vie des particules et leur apparence, il est possible de créer toute sorte d effets visuels (fumée, flamme, éclair, sabre laser ). Lumière Différents types de sources de lumière peuvent également être placées sur la scène. Sans source de lumière, rien n est visible. Dans la réalité, nous percevons les objets qui nous entourent grâce à la lumière qui se refléchit dessus et atteint les cellules de la rétine. Cette réflexion est différente selon la source de lumière et la nature de l objet sur lequel elle se réfléchit. De plus, la lumière reflétée sur les objets de notre environnement va indirectement éclairer d autres objets. Pour obtenir des images en 3D un tant soit peu réalistes, le système de rendu doit reproduire ces phénomènes. Malheureusement, calculer l éclairage d une scène en utilisant les lois de l optique demande bien trop de calculs pour pouvoir être utilisé en 3D temps réel (la 3D précalculée, elle, ne s en prive pas!). On utilise donc des algorithmes d éclairages approximatifs. La recherche sur l éclairage en 3D temps réel a beaucoup progressé ces dernières années. Détailler le fonctionnement des algorithmes d éclairage est hors du contexte de ce mémoire. Image 4 Cette image à été créée en rendu précalculé grâce au moteur de rendu Maxwell qui simule la physique de la lumière d une façon très précise. Obtenir ce type d image en temps réel est aujourd hui impossible. Shaders Les shaders sont des programmes capables d affecter le fonctionnement du pipeline graphique. Ils peuvent être utilisés pour obtenir des effets de rendu particuliers sur tout ou partie d un maillage, voire d une scène entière. On distingue principalement les sommets shaders et les pixels shaders. Les vertex shaders interviennent au niveau de l étape géométrique. Ils peuvent modifier la façon dont certains sommets de la scène seront traités par le pipeline graphique. Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

16 Les pixels shaders interviennent au niveau de l étape de discrétisation. Ils peuvent modifier la couleur finale de certains pixels de l image. Les shaders sont généralement exécutés sur le GPU. Ils bénéficient ainsi de l architecture fortement parallèle de ce dernier, ce qui leur donne de bonnes performances. Les shaders sont écrits par l utilisateur du système de rendu dans des langages de programmation spécialisés. Les effets qu ils permettent de réaliser sont très variés. Ils peuvent par exemple être utilisés pour : - créer des textures avec des propriétés d éclairage particulières (peau, eau, lave ), - répéter des motifs sur une surface ou un volume (un carrelage sur un plan, un immeuble avec plusieurs étages sur un parallépipède ), - créer des effets météorologiques (brouillard, neige, pluie ). La liste ci-dessus n est pas exhaustive. Image 5 Dans la démonstration technique de Nvidia, Nalu daughter of the deep sea, les cheveux de la sirène sont crées et animés grâce à un vertex shader (détection de collision comprise). Leur couleur est calculée grâce à un pixel shader. 14/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

17 Caméra Le but de la création d une scène 3D est qu elle puisse être dessinée sous différents points de vue. Pour définir ces points de vue, on place des caméras sur la scène. De nombreux paramètres peuvent être utilisés pour définir la focale de la caméra et son champ de vision. Ces paramètres détermineront la portion de la scène qui sera visible sur le rendu et la facon dont la perspective y sera restituée. Dans certains cas, plusieurs caméras peuvent être utilisées pour rendre différentes parties d une même image. Image 6 Le jeu Portal, de Valve, utilise plusieurs caméras situées sur la même scène pour rendre différentes parties de l image vue par le joueur. Surface de rendu Il s agit du buffer de pixels dans lequel le rendu sera écrit. La plupart du temps, ce sera tout ou partie de la surface d un écran. Mais il est aussi possible de faire un rendu dans un buffer qui ne sera pas affiché sur l écran, mais à la place utilisé comme texture dans un autre rendu. Cette technique de render to texture est utilisée pour réaliser certains effets d éclairages et d ombrages. File de rendu La file de rendu, file de rendu en anglais, est une file d attente dans laquelle le gestionnaire de scène place les éléments qui doivent être envoyés au système de rendu pour Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

18 dessiner la prochaine frame. Certains ajustements sont effectués dans la file de rendu avant d envoyer les éléments au système de rendu. Par exemple, la plupart des systèmes demandent à ce que les éléments transparents leurs soient envoyés après tous les autres de façon à pouvoir mixer leurs couleurs avec celles des éléments opaques déjà dessinés. La file de rendu se charge alors d envoyer les éléments dans le bon ordre. Certaines optimisations concernant l utilisation du système de rendu peuvent être implémentées au niveau de la file de rendu. Nous les décrirons par la suite. Gestion du temps Le but de la 3D temps réel étant de créer des images animées, une base de temps est nécessaire. C est en déplaçant les éléments présents sur la scène un peu entre chaque frame que l on crée l illusion du mouvement. Or tout joueur de jeux vidéos sur PC sait que le nombre de frames par seconde est tout sauf constant. Il peut varier du simple au double selon la puissance de l ordinateur sur lequel l application fonctionne. Il peut aussi varier pendant l exécution de l application selon la somme de calculs demandée au système. Pour assurer la cohérence des mouvements, le moteur 3D utilise l horloge de l ordinateur, via le système d exploitation. Séquence de rendu d une frame Un moteur 3D fonctionne comme une boucle. Chaque frame rendue correspond à un tour de cette boucle. Les étapes nécessaires pour rendre une frame sont les suivantes : - D abord s exécute tout le code de l application qui ne dépend pas du moteur 3D. Acquisition des commandes que l utilisateur a entrées au clavier, à la souris et/ou au joystick. Exécution de l IA et de la simulation physique, si l application en utilise une. A partir des données calculées par l IA et/ou la physique, l application va placer des éléments sur la scène, ou déplacer ceux qui s y trouvent déjà. Par exemple, dans un jeu vidéo où le joueur contrôle un personnage au joystick, si l application détecte que le joueur a poussé le joystick vers l avant, elle va déplacer le personnage vers l avant sur la scène et déclencher une animation de son maillage pour donner l impression qu il marche. - Ensuite le moteur 3D entre en action. Le gestionnaire de scène liste les éléments qui doivent être dessinés et les place dans la file de rendu. - La file de rendu envoie les données géométriques de ces éléments au système de rendu. - Le système de rendu calcule l image et l affiche. Dans la plupart des applications actuelles, toutes ces opérations sont exécutées successivement. Cependant, sur les machines équipées de plusieurs processeurs, ou de processeurs multicœurs, il est possible d exécuter certaines opérations en parallèle. Par exemple, pendant que le moteur 3D et le système de rendu fonctionnent sur un processeur pour calculer la frame en cours, la physique et l IA peuvent être calculées sur les autres processeurs pour préparer la frame suivante. 16/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

19 4.2.7 Ce qui pose des problèmes de performances Malgré l évolution constante de la puissance des CPU et des GPU, les applications 3D temps réel sont toujours sujettes à des problèmes de performances. Les images produites par ces dernières sont encore loin de rivaliser en qualité avec les images produites en 3D précalculée. Afin de pouvoir proposer des techniques d optimisation, il convient d abord de lister les différents facteurs de limitation des performances des applications 3D temps réel. Le nombre de polygones Il est longtemps resté le principal facteur limitant. Pour augmenter la qualité et le réalisme des images 3D, il est nécessaire d y mettre plus de détails. Pour ce faire, il faut dessiner la scène avec plus de polygones, de façon à mieux rendre la forme des objets. Image 7 Deux modélisations d un même personnage de jeu vidéo. La première offre beaucoup de détails et utilise un nombre conséquent de polygones. La seconde est une version simplifiée qui en utilise beaucoup moins. On parle de modèle high poly et low poly. Dans les jeux vidéos, les premiers sont généralement utilisés pour les scènes cinématiques faites en rendu précalculé. Les autres sont utilisés pour le jeu lui-même qui fonctionne en rendu temps réel. Le temps de traitement d une frame augmente avec le nombre de polygones que le système de rendu doit traiter pour la dessiner. Pour cette raison, les premières techniques d optimisation développées dans les moteurs 3D ont consisté à réduire le nombre de polygones qui composent une image sans altérer sa qualité. Ces optimisations sont souvent implémentées au niveau du gestionnaire de scène. Nous les décrirons dans la suite de ce mémoire. Les changements d état Les systèmes de rendu utilisés en 3D temps réel, tels que OpenGL ou DirectX, fonctionnent comme des machines à états. Ils communiquent avec l application qui les utilisent via des commandes qui font changer leur état interne. Par exemple, certaines comman- Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet /83

20 des indiquent au système de rendu que les sommets qui lui seront envoyés par la suite seront affectés par une transformation géométrique. D autres indiquent que les sommets devront être dessinés avec une couleur ou une texture particulière. Certaines de ces commandes, en particulier le changement de la texture courante, demandent un temps d exécution non négligeable. De plus, dans le cas le plus courant où le système de rendu est implémenté sur un GPU, l envoi d une commande nécessite une communication entre le CPU et le GPU, ce qui est aussi coûteux en temps. Le rendu d une scène complexe constituée de nombreux objets peut être sérieusement affecté par l overdose de changements d états. Pour réduire ce désagrément, il convient de bien organiser la façon dont les données géométriques sont envoyées au système de rendu. Par exemple, il est possible de trier tous les polygones de la scène selon la texture qu ils utilisent. On peut ainsi envoyer tous les polygones utilisant une même texture ensemble, ce qui réduit le nombre de changements de la texture courante nécessaire. Les optimisations de ce type sont implémentées au niveau de la file de rendu. La taille des textures Pour être utilisée par le système de rendu, une texture doit être chargée dans la mémoire du GPU. Elle doit y être stockée sous forme décompressée, c est-à-dire sous forme d un ensemble de pixels (pas de JEPG, de GIF ou de PNG en mémoire). Les cartes graphiques haut de gamme sont équipées, aujourd hui, de Mo de mémoire, et cette mémoire doit contenir, en plus des textures, les polygones nécessaires au rendu de la scène. Le moteur 3D doit gérer cette mémoire en y chargeant uniquement les textures nécessaires au rendu de la frame en cours. Le transfert d une texture, depuis la mémoire de l ordinateur vers la mémoire du GPU, est une opération coûteuse en temps. Utiliser des textures plus grandes permet de dessiner la scène avec plus de détails, ce qui augmente la qualité des images rendues. Mais le rendu d une scène qui utilise trop de textures trop grandes pour être toutes logées dans la mémoire du GPU peut facilement faire chuter le framerate. De plus, le rendu de certaines scènes nécessite des textures aussi grandes que la scène elle-même, par exemple une carte routière projetée sur un terrain. De telles textures sont bien trop grandes pour être stockées entièrement dans la mémoire du GPU. Le calcul des shaders Grâce à leur grande flexibilité, l utilisation des shaders s est largement démocratisée ces dernières années. De nombreux effets visuels utilisés dans les applications récentes sont possibles uniquement grâce aux shaders. Malheureusement, leur utilisation alourdit considérablement la tâche du système de rendu. Même si les GPU actuels disposent d une puissance de calcul monstrueuse, l utilisation de shaders trop complexes, sur un trop grand nombre de polygones ou de pixels, peut faire considérablement baisser le framerate. 18/83 Gestion de scène pour les moteurs 3D juillet 2009

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