Une cité virtuelle en réalité virtuelle Optimisation d une base de données géométriques et graphiques Xavier Marsault Chercheur ITPE xavier.marsault@aria.map.archi.fr ARIA - MAP Ecole d Architecture de Lyon - 3 rue Maurice Audin - BP 170-69512 VAULX EN VELIN CEDEX tél: 04 78 79 50 85 fax : 04 78 80 40 68 Le projet de la Cité Industrielle de l architecte lyonnais Tony Garnier représente un travail considérable qui a jeté les bases de la ville moderne, et qui demeure actuellement en tant que cité virtuelle d un grand intérêt aux plans historique, social, architectural et pédagogique. La reconstruction tridimensionnelle du site et de ses élements et l utilisation de la "réalité virtuelle" comme outil d immersion / interaction dans le projet constituent depuis plus de trois ans un lourd travail de recherche pour Aria, aux composantes à la fois techniques et artistiques, permettant la découverte et l analyse d une oeuvre architecturale qui n'existait à présent que sur le papier. Mots clés : réalité virtuelle, cité industrielle, Tony Garnier, reconstitution, optimisation La richesse architecturale de la cité industrielle provient à la fois de la diversité des modèles d habitations et de bâtiments publics et aussi de leur implantation au sein d une approche urbaine caractéristique de la pensée de Tony Garnier. Au départ de notre travail de reconstitution, nous n avons donc pas souhaité opérer de simplifications abusives sur la géométrie du bâti, propres aux objets modélisés pour le VRML, et rendues nécessaires par le besoin de visualisation sur des ordinateurs disposant de ressources graphiques souvent limitées. Cependant, la gestion et l optimisation de la complexité géométrique ou graphique du projet ne se conçoivent pas sans une nécessaire réduction de la réalité, l introduction de techniques de substitution et une gestion des niveaux de représentation. 1. Reconstitution géométrique de la Cité Industrielle Le plan général conçu par Tony Garnier décrit la topographie et le contenu urbanistique et paysager d un site de dix kilomètres par huit. Certains dessins de l auteur nous ont permis de reconstituer un paysage environnant, de manière à modéliser un cirque de vingt kilomètres de diamètre. Les lignes de niveaux du plan ont permis de constituer plusieurs modèles géométriques de terrain reposant sur des maillages adpatatifs en fonction des données de pente. Après une analyse typologique, la trame urbaine esquissée par Tony Garnier dans diverses planches et croquis minutieusement élaborés a été reconstituée : la structure de la ville et des quartiers comprend 29 ilôts-types d habitations, combinables par trois pour former 41 blocs typiques. Nous avons aussi modélisé la quasi totalité des éléments architecturaux et une partie des quartiers et équipements industriels du site, en associant au projet les étudiants de l'école. Des étudiants participant aux enseignements d'outils de conception assistée par ordinateur ont réalisé sous Archicad, Autocad ou Zoom les premières maquettes numériques des éléments du bâti. Dans un souci de réduction du nombre de données redondantes, une longue phase de simplification
des modèles a été nécessaire : dans un premier temps mise de côté de la géométrie intérieure des bâtiments et habitations fermés, mais aussi élimination des données géométriques superflues issues des modeleurs précités non optimisés et finalement retriangulation optimale (partielle ou totale) des façades. 2. Optimisation structurelle Immersion et interaction en temps réel constituent deux aspects caractéristiques majeurs de la réalité virtuelle. Comment traiter une base de données géométriques complexe sans nuire aux impératifs de traitement en temps réel? Les réponses ne sont pas toutes à chercher, comme on le croît souvent, dans la seule limitation du nombre d entités géométriques composant la scène, et nécessitent dans le cas présent des techniques adaptées, quelle que soit par ailleurs la puissance graphique matérielle dont on dispose. Le parcours de calcul d une image en temps réel se réalise en deux étapes : les transformations géométriques avec deux phases (le culling et le calcul des éclairements) et le drawing, principalement consacré à l élimination des parties cachées par l algorithme cablé du Z-buffer, et au remplissage des pixels (phase de rastérisation). La gestion en temps réel de plusieurs millions de polygones constituant la scène globale ne peut pas être réalisée de manière linéaire, ou horizontale : elle nécessite une structuration des données. La phase de culling consiste à extraire de la base l ensemble des polygones affichables dans la vue en cours, et doit être traitée de façon extrêmement rapide, en quelques millisecondes. Elle dépend très fortement de la structure interne de la base de données géométriques. La méthode de structuration efficace que nous avons utilisée (implémentée dans le logiciel MultiGen II) consiste en la création et le suivi d une arborescence des polygônes, qui sont regroupés dans des noeuds selon un critère de proximité spatiale (et non logique, par familles d éléments de même type). De cette structure découle en effet la possibilité d extraire en temps réel les objets proches les uns des autres par une exploration réduite de l arborescence, optimisant ainsi non seulement la phase de culling, mais aussi les interrogations avec la scène lors des calculs de collisions (réalisés par des intersections de type rayons/géométries). 3. Genèse d une approche texturale globale En matière de restitution graphique et de simulation d ambiances, nous avons pu expérimenter deux étapes. La première correspondait au souci actuel de simulation réaliste. Dans le cas du projet qui nous intéresse, cette approche ne s est pas avéré satisfaisante simplement parce qu elle nécessitait un énorme travail de création d une palette de textures photoréalistes à plusieurs échelles de perception, alors que nous ne disposions d aucun élément d une telle nature dans les planches de l architecte. L observation des planches de Tony Garnier nous montre que les vues générales, quelle que soit l échelle des éléments, bénéficient d une grande diversité et ceci par le biais d une palette chromatique trés réduite. L aspect non répétitif est essentiel dans cette représentation et apporte toute sa richesse. La réponse graphique aux éléments lointains passe par un rythme dans le dessin qui reproduit en quelques traits les grandes composantes de la ville ainsi que leurs détails
(trame d ilôt, rythme du bâti, axes principaux bordés de végétation, tracé de la voirie, plein et vide mis en valeur par un jeu d ombrage). La grande souplesse d une perpective à main levée réside dans le fort potentiel d adaptation du trait aux échelles distinctes contenues dans le projet. Le dessin est également d une extrême efficacité pour déplacer à volonté le regard sur une partie précise du projet. La composition des perspectives s organise autour d une savante alchimie entre zones de flou et zones détaillées. Le relief est traité quand à lui sous la forme de plans successifs sombres et clairs dans une totale absence de répétition. Nous nous sommes alors tournés vers une idée originale, partant de la constatation que l on pouvait simuler la cité telle qu elle est transcrite dans l esprit de son auteur au travers des matériaux graphiques disponibles dans les aquarelles et les fusains, et échapper ainsi au nécessaire besoin de reproduire la réalité. De plus, ce choix permet d optimiser le temps consacré à la mise en place de l habillage pictural de la cité modélisée. En fonction de ces éléments, l approche graphique retenue consiste à composer une gamme de nuances et de chromies, puis une texture d ensemble nonrépétitive mixant deux composantes picturales fortes du projet de Tony Garnier : le plan du site et les aquarelles. Dans un premier temps, l objectif principal a demeuré la recherche d ambiances spatiales et de leur cohérence à différentes échelles géométriques, indépendamment des performances graphiques liées à une puissance matérielle en constante évolution, et a débouché sur la fabrication d une bibliothèque de textures correspondant à environ 150 méga-octets. La qualité plastique des espaces ne doit pas seulement être évaluée à partir de données géométriques mais à partir de modèles fins d'éclairement artificiel ou naturel, de modèles de rendu de matières et d ombrage porté. Les ambiances lumineuses pour mettre en valeur les façades sont nécessairement précalculées par un logiciel adapté (Lightscape, 3D Max) ou composées par un graphiste. Le relief est souligné par des différences de niveaux de couleurs accentuées, les éléments graphiques importants sont mis en valeur par des techniques de traitement d image (ex : les routes sont surlignées par diminution de la densité de couleur). Le calcul des ombres portées n'est pour l'instant réalisable que sur les stations Silicon Graphics Onyx, car il nécessite plusieurs passes dans le pipeline graphique. Cela signifie qu'on a précalculé les effets des ombres portées en les incorporant aux textures. Mais on a perdu la possibilité d animer les sources de lumière en temps réel. 4. Gestion des niveaux de représentation Comment résoudre le problème de représentation en réalité virtuelle des ambiances et des textures à diverses échelles, et la transition entre elles? Un premier élément de réponse que nous avons apporté a consisté à considérer trois niveaux d observation en architecture : le territoire (échelle : quelques kilomètres), le quartier (échelle : quelques centaines de mètres) et l habitation (échelle : du mètre à quelques dizaines de mètres), et à travailler dans un espace à plusieurs transitions entre des géométries représentant le même objet à différentes distances de perception. Cette gestion s accompagne par ailleurs d une mise en adéquation de la géométrie et de la texture.
Les critères de définition et de manipulation des niveaux de détails utilisés sont d ordre symbolique (on impose une reconnaissance formelle des objets), qualitatif (on essaie de lisser les transitions pour en diminuer l impact visuel : la régulation est pour l instant manuelle) ou technique (on associe une modification de l échelle de transition entre les niveaux de détails à la gestion globale de la charge graphique, pour maintenir par exemple une certaine fluidité). Nous n avons pas investi le domaine de la génération automatique des niveaux de détail géométriques. S il s agit de thématiques de recherche actuelles, aucun outil n était disponible il y a trois ans pour nous permettre de les obtenir de façon logicielle. De plus, en l absence de morphing temps réel, la transition brusque ou superposée des niveaux de détails reste un facteur assez pénalisant pour la qualité visuelle. Enfin, on a introduit des géométries texturées de remplacement propres à simuler les quartiers vus de loin (boîtes englobantes) et les masses végétales (chapiteaux pour les forêts, boîtes englobantes pour les massifs d arbres). Pour ce qui est de la végétation verticale en vision proche, nous avons utilisé la technique des billboards, où les arbres sont simulés par des faces texturées avec transparence, dont la normale pointe toujours vers la caméra virtuelle. 5. Autres facteurs d optimisation Les paramètres comme la vitesse de remplissage de la carte graphique et la profondeur moyenne de la scène sont en général des paramètres plus limitatifs au niveau de la fréquence d affichage que le nombre de polygones composants la scène. Cela dit, la profondeur moyenne de remplissage en différents points de vue est quasiment inhérente à la scène visualisée : elle est très élevée lorsque l on effectue des navigations de type marche de piétons. Elle peut être améliorée en supprimant systématiqmenet les intérieurs des habitations, tant qu on ne décide pas de pénétrer à l intérieur de l un d eux. La capacité en mémoire de textures constitue dans ce projet un paramètre limitatif majeur, dans la mesure où la base de données graphiques exploite environ 150 Mo d images. Très peu de stations à l heure actuelle présentent la capacité de gestion d un telle quantité de textures en temps réel, la plupart des cartes graphiques ne dépassant pas 32 Mo, voire 64 Mo pour la carte Intergraph Wildcat 4100. Seule la technologie à mémoire unifiée et bus haut débit inventée par Silicon Graphics, et disponible sur sa gamme NT Visual Workstation permet de dépasser largement cette limite. 6. Perspectives Aria a été récemment contacté par le laboratoire imagis de Grenoble pour effectuer des tests sur les modèles de la Cité Industrielle dans le cadre d un projet concerté CNRS/INRIA/INPG/UJF sur la visualisation en temps réel de scènes urbaines complexes. Basé sur un principe de segmentation de la base visuelle à partir des données de profondeurs provenant du Z-buffer, le projet permet le calcul rapide d imposteurs graphiques [F.X. Sillion, G. Drettakis, B. Bodelet, 1997] remplaçant des élements de scènes distants par une structure simplifiée texturée, dans le but de diminuer de manière efficace le nombre de pixels dans la phase de rastérisation, et d augmenter ainsi la fluidité des déambulations.
Le développement et les simulations ont été réalisés sur une station Silicon Graphics High Impact. ARIA est équipé des logiciels : MultiGen II pour la modélisation, Vega pour le prototypage d applications de réalité virtuelle. Ces outils permettent de mettre en oeuvre un produit de qualité et communicable, et sont prêts à accueillir les extensions matérielles (stations Huron Lake) et logicielles (Catt Acoustic, Aniscape) permettant de reproduire les ambiances sonores et d'analyser des espaces intérieurs sous l'angle de l'acoustique virtuelle. Références [F.X. Sillion, G. Drettakis, B. Bodelet, 1997] Efficient Impostor Manipulation for Real-Time Visualization of Urban Scenery, Proceedings of Eurographics'97, Budapest, Hungary.