Les Ombres en synthèse 3D

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Laure Mercier
il y a 7 ans
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1 Les Ombres en synthèse 3D Introduction (Intérêt des ombres dans les scènes 3D) : «Jamais le soleil ne voit l ombre» De Vinci La synthèse d images 3D se voulant coller au plus à la réalité, l introduction d ombres dans les scènes a rapidement été au centre des préoccupations des chercheurs en informatique graphique (milieu des années 70). Les ombres ont pour effet d augmenter de manière significative le réalisme des scènes et donnent par la même des indications très importantes sur la position relative des objets les uns par rapport aux autres ainsi que sur les propriétés de la source lumineuse. Ils transcendent en quelque sorte les scènes fixes et renforcent l interactivité et l immersion des scènes animées et des jeux vidéo. Aujourd hui, mis à part la méthode de lancer de rayon trop coûteuse en temps, 2 méthodes de calcul d ombres subsistent principalement : le Shadow mapping et le Shadow Volume. Elles possèdent chacune leurs avantages, leurs défauts et figurent plus que jamais au centre de la grande problématique informatique basée sur le compromis qualité/puissance. Ces deux algorithmes reposent sur le fait que l ombrage est un problème de visibilité. En revenant à la citation de Leonard de Vinci ci-dessus, on peut tout résumer à une seule et même question : un point est-il visible du point de vue de la source lumineuse? I. Le Shadow Volume (Crow 1977) : 1) Principe : Il s agit d une méthode basée sur la géométrie des objets d une scène. Le principe est assez simple. Pour chaque objet générateur d ombre (shadow caster), on extrude à l infini un volume dit «volume d ombre» à partir des extrémités de sa silhouette telle qu elle est aperçue de la source lumineuse. Plusieurs volumes d ombres peuvent s intersecter. Pour déterminer si un point figure dans l ombre ou pas, un effectue un test intérieur/extérieur, i.e. on compte pour chaque pixel le nombre de faces de volumes d ombres que l on traverse entre ce pixel et l œil (point de vue de la scène). Ce compteur est incrémenté dès que l on entre dans un volume et décrémenté dès que l on en sort. A la fin, si le décompte est supérieur à 0, cela signifie que nous sommes dans l ombre, sinon, le pixel est éclairé. 2) Avantages et inconvénients : La technique est infaillible, à savoir que l on sait exactement pour chaque pixel s il est ou non dans une zone d ombre, sans aucune possibilité d erreur. Elle fonctionne par la même avec n importe quel type de source lumineuse (directionnelle, spot ou omnidirectionnelle). Le gros problème de cette méthode est sa complexité. En effet, celle-ci nécessite plusieurs étapes très lourdes, et ce pour chaque objet de la scène potentiellement source d ombre. Il est ainsi nécessaire d effectuer une détection de la silhouette (attention, pas du contour) pour chaque objet, d effectuer un rendu de son volume d ombre, ce qui nécessite un grande quantité d opérations de remplissage de polygones (fill-rate). Enfin, se pose un inconvénient majeur inhérent à cette méthode qui est l impossibilité d obtenir des ombres douces.

II. Le Shadow Mapping (Williams 1978) : 1) Principe : Fig.1 : Technique du shadow volume La méthode ici est complètement différente de celle du Shadow Volume.

2 II. Le Shadow Mapping (Williams 1978) : 1) Principe : Fig.1 : Technique du shadow volume La méthode ici est complètement différente de celle du Shadow Volume. Elle n est plus basée sur la géométrie des objets (espace 3D) mais sur l image elle-même. Son principe est assez simple à comprendre. L opération se déroule en deux passes : on effectue tout d abord un rendu de la scène depuis la source lumineuse en activant la technique du z-buffer, qui enregistre la profondeur des points les plus proches du point de vue, afin de ne pas avoir à calculer les parties cachées de la scène. Toutes les valeurs de profondeur sont ensuite stockées dans ce que l on appelle une shadow map. A la seconde passe, on effectue un rendu classique de la scène (depuis l œil) et pour chaque pixel, on compare sa valeur de profondeur -après l avoir repassé dans l espace de la source- à la valeur contenue dans la shadow map. Si cette dernière est plus petite, alors le pixel courant est masqué par un objet occlusif du point de vue de la lumière, il est donc dans l ombre. Dans les autres cas, le pixel est illuminé. 2) Avantages et inconvénients : Le principal avantage de cette méthode est sa simplicité, et son universalité. En effet, le fait que l algorithme soit basé sur une technique image lui permet une totale indépendance vis-à-vis de la scène, quelque soit la richesse de celle-ci ou la complexité des objets qui la composent. Les valeurs de profondeur (échantillons) sont ainsi stockées dans une grille régulière, ce qui est relativement peu coûteux, mais introduit un certain nombre de problèmes de crénelage (aliasing) exposés dans le chapitre suivant. Le second gros problème inhérent au Shadow mapping est sa difficulté à travailler avec des lumières omnidirectionnelles (sphériques), pour lesquelles il serait nécessaire de posséder au moins 6 maps.

On appellera cellule ou texel (texture pixel) l élément de base du z-buffer, donc de la shadow map.

3 Fig.2 : Technique du Shadow Mapping III. Difficultés rencontrées avec le Shadow Mapping : La méthode du Shadow Mapping repose totalement sur le stockage des données du Z-buffer, qui est par essence une grille finie et régulière. On appellera cellule ou texel (texture pixel) l élément de base du z-buffer, donc de la shadow map. On s aperçoit ainsi dans la majeure partie des cas, qu à une cellule de la map peuvent correspondre plusieurs pixels de l image traitée, d où un aspect par blocs de l ombre au final, typique des méthodes basée sur l image. L idéal serait bien sûr de posséder une information de profondeur pour chaque pixel/fragment de l image en cours, ce qui revient à dire qu il faudrait une shadow map à résolution variable, ce qui est malheureusement impossible. C est clairement un problème de sous échantillonnage auquel nous nous confrontons ici, qui mène à l apparition d artéfacts de crènelage (aliasing) de 3 types : Crènelage de Perspective (Perspective Aliasing), Crènelage de Projection (Projection Aliasing) et Auto Ombrage incorrect (Incorrect Self Shadowing). Nous allors détailler ceux-ci. 1) Perspective Aliasing : L effet de Perspective Aliasing provient du fait que la shadow map est générée dans l espace de la lumière (Espace Monde), et attribue ainsi à chaque objet de la scène une résolution fixe. Dès lors que l on observe la scène avec une vue en perspective, les objets situés près de l œil souffrent d une résolution trop faible là où ceux situés plus loin n ont pas besoin d une telle résolution. Fig.3 : Schéma du problème de perspective aliasing Fig.4 : Résultat du perspective aliasing en pratique

2) Projection Aliasing : L effet de Projection Aliasing intervient lorsque la direction des rayons lumineux provenant de la source est parallèle à certaines surfaces des objets de la scène (ou

4 2) Projection Aliasing : L effet de Projection Aliasing intervient lorsque la direction des rayons lumineux provenant de la source est parallèle à certaines surfaces des objets de la scène (ou perpendiculaire à la normale). D importantes surfaces sont ainsi échantillonnées sur très peu de cellules de la shadow map, très aléatoirement donc, ce qui mène principalement à des erreurs de calcul d ombre. Ce qui est plus grave, c est la discontinuité temporelle lors de mouvements de la caméra, ce qui a pour effet un clignotement de certaines surface lors d animations. Fig.5 : Schéma du problème de Projection Aliasing Fig.6 : Scène avec problème de Projection Aliasing et shadow map associée 3) Incorrect Self Shadowing : Le problème d auto ombrage incorrect provient du double échantillonnage (resampling) de la scène à des fréquences très souvent différentes. Cela a pour effet une appréciation des profondeurs inégale d une passe à l autre, rendant la comparaison parfois incorrecte. On voit ainsi certaines ombres apparaître comme par magie au milieu d objets totalement illuminés. De plus, il faut comprendre que la profondeur est aussi discrétisée, ce qui induit une approximation supplémentaire, qui peut mener aux mêmes effets. Cela se traduit par du moiré sur certaines scènes.

5 Fig.7 : Schéma du problème d ombrages incorrects du au resampling Fig.8 : Schéma du problème d ombrages incorrects du à la quantification en Z Fig.9 : Motifs de moiré sur des scènes avec ombrage incorrect

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