Initiez-vous au rendu physique réaliste.

Pour les artistes spécialisés en texture, il importe de comprendre comment les rayons lumineux interagissent avec le matériau d'une surface puisque leur métier consiste à créer des textures qui caractérisent cette dernière. Dans les univers virtuels, les textures et les matériaux que vous créez interagissent avec la lumière. Mieux vous maîtrisez le comportement de la lumière, plus vos textures seront réussies. 

Comprendre le rendu physique réaliste 

Le rendu physique réaliste (PBR, Physically Based Rendering), parfois nommé ombrage physique réaliste (PBS, Physically Based Shading), est une méthode d'ombrage et de rendu qui offre une représentation plus précise de la manière dont la lumière interagit avec les propriétés d'un matériau. En fonction de l'angle sous lequel est abordé le processus de modélisation 3D, l'ombrage physique réaliste est généralement l'expression consacrée aux concepts d'ombrage tandis que le rendu physique réaliste désigne le rendu et l'éclairage. Les deux expressions décrivent le processus de représentation des ressources, d'un point de vue physique précis.

Que vous travailliez avec un système de rendu en temps réel en infographie ou en production cinématographique, le recours à une méthode d'ombrage axée sur le rendu physique réaliste améliorera votre processus.

Qu'est-ce que le rendu physique réaliste?

Possibilités offertes par le rendu physique réaliste

  • Ressources réalistes. Le rendu physique réaliste ne laisse plus le hasard guider la création des propriétés de la surface, comme la transparence, car sa méthodologie et ses algorithmes reposent sur des formules physiques précises, inspirées de matériaux réels.
  • Environnements unifiés. Quels que soient les systèmes d'éclairage utilisés, les autres ressources seront toujours exploitables dans un environnement PBR.
  • Processus durable. Le rendu physique réaliste est un processus largement adopté pour créer des illustrations cohérentes, même d'un artiste à l'autre. « Il réduit considérablement les délais de production », explique Wes McDermott, producteur de contenus créatifs chez Adobe, de sorte que « vous pouvez vous concentrer sur la créativité plutôt que sur la technique ».

Rendu physique réaliste et photoréalisme

Le genre artistique qu'est le photoréalisme porte essentiellement sur la création d'images ressemblant à des photographies. De même, l'objectif du rendu physique réaliste consiste à représenter précisément la façon dont la lumière interagit avec les objets. Cet aspect est déterminant dans l'expérience visuelle.

À partir du moment où vous faites naître quelque chose qui ressemble à ce qui existe dans le monde réel, l'expérience est nettement plus immersive. « Elle est crédible, et le spectateur peut se concentrer sur l'histoire », indique Wes McDermott. Dès l'instant où quelque chose paraît faux aux yeux du public, ce dernier décroche de l'histoire. 

Diffusion PBR

Diffusion, translucidité et transparence

Dans un processus PBR, l'artiste doit consigner le seuil de réflectivité, autrement dit la quantité minimale de couleur et de lumière réfléchie.

La « réflexion spéculaire » désigne la lumière réfléchie au contact d'une surface. Le rayon de lumière se reflète sur cette surface et prend une autre direction, suivant ainsi la loi de la réflexion, qui dit que sur une surface parfaitement plane, l'angle du rayonnement réfléchi équivaut à celui du rayonnement incident.

Or, la plupart des surfaces comportant des irrégularités, la direction du rayonnement réfléchi variera en fonction des aspérités de la surface. Si la direction de la lumière varie, son intensité, elle, demeure constante.

Sur une surface très rugueuse, les hautes lumières seront plus étendues et sembleront plus diffuses. Sur une surface parfaitement lisse, la réflexion spéculaire sera parfaitement nette, et le rayonnement paraîtra plus éclatant ou plus intense sous l'angle adéquat.

Les termes diffusion, lumière diffuse ou transluminescence décrivent tous l'effet d'une lumière absorbée ou diffusée à l'intérieur d'un matériau. Lorsque la lumière est ainsi diffusée, les directions vers lesquelles son rayonnement est dévié varient de manière aléatoire, selon un angle qui est fonction des aspérités à la surface du matériau. Si la diffusion rend la direction de la lumière aléatoire, elle n'en modifie pas l'intensité. Par moments, cette lumière peut refaire surface, pour être à nouveau visible.

Les matériaux qui se caractérisent par un indice de réfraction élevé et un coefficient d'absorption faible sont des matériaux translucides, parfois qualifiés de milieux participants. La fumée, le lait, la peau, le jade et le marbre en font partie.

Lorsqu'elle traverse un matériau translucide, la lumière peut être absorbée ou diffusée. Si elle est absorbée, l'intensité lumineuse diminue puisque la lumière est transformée en une autre forme d'énergie : la chaleur. Les changements de couleur induits dépendent de la longueur d'onde, mais la direction des rayonnements, elle, ne changera pas.

En l'absence de diffusion et si le coefficient d'absorption du matériau est faible, les rayons lumineux peuvent alors traverser sa surface, comme dans le cas du verre. Imaginez-vous en train de nager dans une piscine à l'eau limpide. En ouvrant les yeux, vous pouvez voir à travers l'eau transparente. Mais si ce même bassin était relativement sale, les particules de saleté disperseraient la lumière, réduisant la clarté de l'eau et votre visibilité.

Plus la lumière traverse un matériau, plus elle est absorbée et/ou diffusée. Raison pour laquelle l'épaisseur des objets joue un rôle essentiel dans la quantité de lumière absorbée ou diffusée.

Effet Fresnel

L'effet Fresnel, tel qu'il a été observé par le physicien français Augustin-Jean Fresnel et repris par le professeur Wenzel Jakob spécialisé en rendu graphique, part du principe que la quantité de lumière réfléchie par une surface dépend de l'angle sous laquelle on la regarde.

Reprenons l'exemple de la piscine. Si vous regardez à la verticale du bassin, selon un axe perpendiculaire à sa surface, vous distinguez le fond. Visualisée de cette manière, la surface forme un angle de zéro degré ou une incidence normale, la normalité s'appliquant à celle de la surface. Si vous regardez le bassin selon une incidence rasante, plus parallèle à la surface, vous constatez que les réflexions spéculaires à la surface de l'eau gagnent en intensité, jusqu'à vous priver de toute visibilité sous la surface.

Dans la poursuite de votre travail sur les textures, n'hésitez pas à approfondir vos connaissances sur ces concepts d'éclairage 3D clés. Ainsi, vous comprendrez mieux les tenants et aboutissants du rendu physique réaliste du point de vue technique, mais aussi sur le plan artistique. « Elle fait l'essentiel du travail à votre place, ajoute Wes McDermott qui fait volontiers appel à la méthodologie PBR. Je peux consacrer davantage de temps à la création et à réaliser des choses intéressantes. »

Pour en savoir davantage sur le rendu physique réaliste, consultez l'ouvrage The PBR Guide écrit par Wes McDermott et paru chez Allegorithmic.