18 Informatique graphique

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1 Avant-propos En 1988, les Editions Hermès publiaient un ouvrage intitulé La synthèse d'images, qui présentait un état de l'art de ce domaine de l'informatique, vingt cinq ans environ après l'introduction du logiciel SKETCHPAD par I. Sutherland. Or. en dix ans, la synthèse d'images a évolué, tant sur le plan scientifique que sur les plans industriel et commercial. De nouveaux domaines d'application, comme la médecine, ont été conquis. De nouveaux champs se sont ouverts, notamment la réalité virtuelle et la visualisation scientifique, qui utilisent les techniques de base de la synthèse d'images. Enfin, la recherche scientifique a réalisé de nombreuses avancées, par exemple dans le domaine de la simulation des effets lumineux (éclairagisme). C'est pourquoi il nous a paru nécessaire de mettre à jour cet ouvrage. Mais pour prendre en compte les modifications intervenues en dix ans. il nous a semblé qu'une simple remise en forme ne suffisait pas. Nous avons donc renouvelé complètement l'édition de la synthèse d'images étant devenue l'informatique graphique. Notre expérience d'enseignant nous a conduits à étoffer les notions de base utilisées en informatique graphique, notamment en ajoutant des éléments de géométrie et d'analyse numérique et en développant considérablement les chapitres sur les courbes et surfaces, les algorithmes 2D et la couleur. L'évolution scientifique de notre discipline nous a contraints à remanier entièrement le chapitre sur la modélisation et à insister sur tout un pan de la recherche en pleine expansion depuis dix ans et qui a trait à la simulation des phénomènes lumineux, avec par exemple l'introduction d'un chapitre sur les modèles d'éclairement. De la même manière, nous avons insisté sur de nouveaux algorithmes d'éclairement (méthodes de Monte Carlo, radiosité) et sur de nouvelles notions liées aux textures.

2 18 Informatique graphique L'objectif de ce livre est de présenter les bases de l'informatique graphique, notamment en ce qui concerne les méthodes, les modèles et les algorithmes. Son contenu a été testé à l'occasion d'un cours d'informatique graphique dispensé dans le cadre du DEA d'informatique "Images", cohabilité par l'université Jean Monnet et l'ecole des Mines de Saint-Etienne. Les quatre premiers chapitres présentent les notions de base indispensables pour lire avec profit les chapitres qui suivent et qui constituent le cœur de l'informatique graphique. Le chapitre 1 décrit le pipeline graphique, c'est-à-dire le processus logique qui permet de construire une image de synthèse ou une séquence de ces images. Il fournit également un certain nombre d'éléments concernant les aspects matériels de l'informatique graphique. Dans le chapitre 2 sont abordés des éléments de mathématiques et de traitement du signal propres à l'informatique graphique. Les notions de courbes et de surfaces paramétriques et implicites sont développées dans le chapitre 3, alors que le chapitre 4 est consacré aux principaux algorithmes 2D utilisés, avec les structures de données associées. Le chapitre 5 porte sur la modélisation géométrique, et plus particulièrement sur la modélisation du solide (ou volumique). Le chapitre 6 est consacré à la couleur et le chapitre 7 aux modèles d'éclairement, c'est-à-dire aux concepts qui permettent de simuler le comportement de la lumière. Dans le chapitre 8, nous décrivons les principaux algorithmes d'élimination des parties cachées, en réservant toutefois l'algorithme du tracé de rayons au chapitre 9. Les algorithmes d'éclairement sont exposés dans le chapitre 10 et les textures dans le chapitre 11. En décrivant les modèles et les méthodes de base en informatique graphique, nous avons cependant dû effectuer des choix, car nous ne pouvions tout traiter. Ces choix ont essentiellement été justifiés par les thèmes de recherche actuels des auteurs de ce livre. Bernard PÉROCHE

3 Chapitre 1 Architectures logicielles et matérielles pour la visualisation 1.1. Le pipeline graphique Introduction Une image analogique diffère d'une image numérique en ce que cette dernière code les informations concernées sous forme numérique et non sous forme continue. Pour l'image numérique, on peut distinguer l'image-vecteurs (où l'image est constituée d'un ensemble de segments joignant des points de l'écran) de l'imagepixels (où l'image est constituée d'un tableau de pixels, chaque pixel étant la quantité élémentaire d'information codée sous forme de n bits). Le domaine de l'image numérique s'est beaucoup développé depuis quelques dizaines d'années. Il peut être représenté par le schéma de la figure 1.1 qui fait apparaître deux niveaux distincts : un niveau physique, où une image est un signal bidimensionnel, et un niveau conceptuel qui comprend les structures et/ou les modèles qui permettront de construire les images du niveau physique. La synthèse d'images est donc un domaine de l'image numérique, celui qui. à partir de structures et/ou de modèles, permet d'obtenir des signaux numériques pouvant être visualisés sur un écran graphique par exemple. Dans ce premier chapitre, nous allons décrire le processus permettant de générer une image à partir de modèles. En fait, ce processus peut être représenté par la

4 20 Informatique graphique figure 1.2, le logiciel graphique jouant un rôle d'intermédiaire entre l'opérateur humain et le programme d'application. Il s'agit d'un pipeline dans lequel on construit d'abord un modèle objet avant de visualiser celui-ci. Transformation (calcul scientifique) Programmes/Données Dispositif d'interactivité (souris, tablette, clavier, etc.) Vision par ordinateur À Visualisation scientifique Synthèse d'images Capteurs (caméra, etc.) Affichage/Enregistrement Transformation (traitement d'images) Figure 1.1. Le domaine de l'image numérique Pour préciser la terminologie utilisée ici (et qui n'est certainement pas standard), on peut penser à l'exemple de la conception d'une voiture. Le programme d'application est un logiciel de CAO capable, par exemple, d'effectuer des calculs de structure sur les éléments rentrés dans la mémoire de l'ordinateur. Le logiciel graphique peut permettre, lui, de visualiser la carosserie de la voiture en fonction de la peinture choisie et dans des conditions d'éclairement données. La séparation entre le programme d'application et le logiciel graphique n'est pas toujours très nette. Le logiciel graphique peut se réduire à un simple ensemble matériel géré par l'application ou, au contraire, proposer une interface de plus haut niveau et un ensemble d'outils spécifiques. Nous allons donc successivement étudier les paramètres, appelés attributs graphiques, qui permettent de constituer le modèle objet dans le paragraphe puis, dans le paragraphe 1.1.3, les attributs de visualisation qui régissent le processus d'affichage. Nous évoquerons, dans le paragraphe 1.1.4, les problèmes qui doivent être résolus pour produire effectivement une image à partir d'un modèle

5 Architectures logicielles et matérielles 21 avant de définir, dans le paragraphe les processus de base utilisés dans tout logiciel graphique. Nous conclurons cette partie en présentant les deux grandes approches utilisées pour la réalisation de logiciels graphiques : l'approche spécialisée puis l'approche générale. Dispositifs de visualisation Programme d'application Opérateur Dispositifs d'interaction Logiciel graphique Système informatique Figure 1.2. Le processus de visualisation scientifique Les attributs graphiques En informatique graphique, le programme d'application contient en général un modèle des entités manipulées, sous forme de structures de données ou de procédures. Parmi ces données, certaines sont propres à l'application (la masse, la résistance des matériaux, par exemple). D'autres sont liées à la représentation graphique. Ce sont celles qui vont nous intéresser ; nous les appellerons les attributs graphiques [MAR 84]. Dans ses travaux, F. Martinez a mis en évidence cinq attributs qui sont les suivants : - la morphologie, qui permet de définir la forme intrinsèque des objets (par exemple, un cube, une sphère, une surface gauche, etc.) ; - la géométrie, qui permet de positionner les objets les uns par rapport aux autres ; - l'aspect, qui permet de définir l'apparence d'un objet (sa couleur, sa texture, sa brillance, son mode de réflexion de la lumière, etc.). Ces trois attributs sont purement graphiques ; les deux qui suivent sont surtout utilisés pour la gestion des données : - l'identité, qui permet la nomination, la désignation d'objets ou de groupes d'objets ;

6 22 Informatique graphique - la structure, qui exprime les relations liant certains objets (l'appartenance, l'inclusion, le contact, la proximité, etc.). Ces cinq attributs graphiques permettent de définir les éléments pouvant conduire à un modèle des objets. L'élaboration de ce modèle se fait, en général, en deux étapes : - la description du modèle, qui permet de définir les éléments constitutifs du modèle et les liens relationnels entre eux ; - la construction du modèle, qui fournit une réalisation effective du modèle. Un exemple illustrant la distinction établie ci-dessus est celui d'un objet de révolution. Un tel objet est décrit par un contour plan et un axe de révolution et la construction peut fournir une approximation de l'objet à l'aide de facettes polygonales Les attributs de visualisation Le processus de visualisation en synthèse d'images est. le plus souvent, identique au processus photographique. Les paramètres régissant la visualisation peuvent donc se classer en deux catégories, les paramètres de prise de vue qui précisent comment la scène est observée et ceux d'affichage, qui définissent la manière suivant laquelle l'image sera affichée sur l'écran de visualisation Attributs de prise de vue Deux attributs sont utilisés : - la géométrie de prise de vue (Gv). Cet attribut peut être plus ou moins complexe selon le logiciel mis en œuvre. Les paramètres les plus classiques sont les suivants : - le point de visée, - le point de vue, - le plan de près, - le plan de loin, - les caractéristiques de l'appareil de prise de vue (distance focale, ouverture, roulis, format de prise de vue, etc.) ; -l'éclairage. Là-aussi, les paramètres peuvent être très différents selon le réalisme que l'on désire obtenir. Voici quelques exemples d'éléments pouvant être pris en compte : - la forme, la position, la couleur, la direction des sources lumineuses, - le modèle d'éclairement utilisé,

7 Architectures logicielles et matérielles 23 - le modèle de lissage utilisé, - effet de bleu atmosphérique, - effet de brouillard Attribut d'affichage Le seul attribut concerné s'appelle la géométrie d'affichage (Ga). Cet attribut permet de situer une vue sur l'écran d'affichage (multifenêtrage) et agit sur la présentation de la vue. Le processus de visualisation peut finalement être représenté par le schéma de la figure 1.3. Il faut noter que les différents attributs définis précédemment ne jouent pas le même rôle par rapport au pipeline graphique. Si les paramètres I, M, A, G et S sont nécessaires dès la description du modèle, les trois autres n'interviennent qu'au niveau de la visualisation. Il est important de tenir compte de cette remarque lors de la réalisation d'un logiciel, pour éviter de relancer tout le processus si on change simplement le point de vue par exemple, ou l'emplacement sur l'écran de la fenêtre d'affichage. 1 M A G S E Gv Ga Description du modèle! Construction du modèle Base de ^données^ Prise de vue! Affichage Figure 13. Le pipeline graphique