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Rendus réalistes : des logiciels qui donnent vie aux projets

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Rendus réalistes : des logiciels qui donnent vie aux projets

Simulations de l’impact d’un bâtiment sur son environnement : ombres portées, réfraction de lumière, etc. à différents moments de la journée et pour différentes saisons sont parmi les possibilités des rendus réalistes. (Doc. agence Jacques Ferrier.)

Les logiciels de rendu réaliste sont conçus soit pour produire des images fixes, soit pour réaliser des animations 3D. Ce sont des applications indépendantes ou étroitement associées à un logiciel d’architecture.

La visualisation réaliste et les techniques de réalités virtuelles remplissent deux fonctions principales : montrer pour expliquer, puis convaincre et vendre. C’est l’application la plus développée en architecture. Pour remporter un concours, la qualité des représentations réalistes d’un projet pèse souvent plus lourd que les mérites de la conception du bâtiment : le plus souvent sous forme de scènes fixes, au calcul de rendu parfois long. Mais une fois terminées, l’exploitation sous forme d’image JPG ou de film MPEG est simple, peu gourmande en puissance informatique et très largement diffusable. Deuxièmement, l’application à l’architecture des techniques de réalité virtuelle 3D offre un véritable outil de conception. Elle réduit les coûts de conception d’un projet grâce au prototypage virtuel qui permet des simulations de situations dans le bâtiment. Cette approche constitue le meilleur moyen pour identifier et analyser les problèmes, dès l’avant-projet. Elle n’est pas encore généralisée, car elle repose sur des outils logiciels récents comme Autodesk Revit ou coûteux comme Cattia de Dassault Systems. Afin de rendre le prototype développé exploitable pour une telle prise de décision, il faut atteindre une bonne simulation de l’éclairage qui est au cœur du rendu réaliste. Le besoin important d’interactivité dans la manipulation du prototype, soit pour des déplacements de l’utilisateur dans le monde virtuel, soit pour des modifications géométriques apportées au bâtiment, requiert de très rapides modifications de l’éclairage de la scène. Il ne s’agit plus de rendu réaliste d’images fixes : les puissances informatiques nécessaires croissent exponentiellement. Les technologies de rendu réaliste utilisées dans les deux cas ne sont donc pas les mêmes. Pour le rendu d’images fixes, on dispose de temps. Les solutions connues depuis longtemps – lancer de rayon, radiosité, transparence, etc. – trouvent pleinement leur place et atteignent une sophistication élevée, capable de prendre en compte la brume autour d’un bâtiment vue au travers d’une paroi vitrée transparente, par exemple. Appliquée au rendu de modifications en temps réel, la durée de calcul de ces solutions classiques deviendrait prohibitive. Pour augmenter le réalisme des scènes calculées en temps réel, on fait donc appel très largement à un leurre optique : des textures d’éclairage qui figent et encodent l’éclairage. Ce long calcul n’est pas effectué en temps réel. Mais une fois terminé, il rend instantanément disponible l’information d’éclairage. La qualité du rendu peut alors approcher ce qu’on obtient en 3D précalculée, tout en apportant de l’interactivité dans les réglages de tous les autres paramètres. Dans ce dernier registre, le moteur principal du progrès en matière de rendu réaliste en temps réel est aujourd’hui l’industrie du jeu vidéo. Les capacités des processeurs graphiques (GPU, Graphics processors Unit) embarqués sur les cartes vidéo des PC des joueurs en ligne atteignent des performances remarquables. Les deux approches – rendu réaliste statique et rendu réaliste évoluant en temps réel – sont très présentes en architecture. Tout en reposant sur des bases algorithmiques communes, les outils nécessaires sont différents. Au passage, il ne faut pas confondre un film MPEG – confectionné à partir d’un parcours déterminé dans un bâtiment virtuel – avec la possibilité de se déplacer librement en Quicktime VR dans la maquette virtuelle du ­bâtiment. Dans le premier cas, le calcul de rendu a été effectué une fois pour toutes et fixé sous forme vidéo. Dans le second cas, nous sommes en présence d’un rendu en temps réel.

Une gestion complexe de la lumière

Tout rendu réaliste d’un projet architectural est une restitution en 2D d’un univers informatique d’objets en 3D. Les principaux problèmes posés sont, premièrement, la détermination des parties visibles et des parties invisibles des objets 3D en fonction de la position de la caméra virtuelle et, deuxièmement, la gestion de la lumière. Les programmes de conception architecturale n’ont pratiquement rien à voir avec les applications de rendu réaliste. Un programme comme ArchiCAD, AutoCAD, Revit, Allplan, etc. sert à concevoir et à documenter un projet de bâtiment. Il fabrique des plans qui seront utilisés par les entreprises, offre des possibilités de calcul de volumes, de surfaces, de résistance mécanique, répond aux exigences légales propres à chaque pays, etc. Les moteurs de rendu réaliste, comme Atlantis Render, Maya ou 3D Studio MAX, sont des applications spécifiques qui ne font pas de l’architecture, même si elles peuvent contenir un modeleur 3D. Les passerelles entre les deux univers sont les formats d’échanges informatiques classiques – DXF, DWG, etc. – ou des plug-ins spécifiques qui, à partir d’un programme d’architecture sont capables de lancer un moteur de rendu particulier. Ce qui n’empêche pas les éditeurs de rassembler les deux types d’applications dans des « bundles », avec des liens actifs entre les deux programmes qui automatisent les modifications dans le sens architecture vers rendu réaliste, mais jamais dans l’autre sens, pour le moment.

Déterminer dans une scène en 3D, quelles surfaces sont visibles et quelles surfaces ne le sont pas, influe directement sur l’intelligibilité par l’œil humain du rendu final et sur le temps de calcul. La méthode la plus employée est celle du « Z-buffer ». On pourrait traduire cette expression par « stockage-tampon Z », où Z se réfère au troisième axe (x, y, z : la profondeur) d’une géométrie en 3D. Le mécanisme est relativement simple. Lorsqu’une carte vidéo dessine un objet à l’écran, il est composé de pixels. Les coordonnées Z de chaque pixel de chaque objet sont stockées dans une mémoire tampon (buffer), qui n’est autre qu’un tableau dont les deux entrées sont les coordonnées x et y de chaque pixel et la valeur dans la case est la coordonnée z. La carte vidéo balaye en permanence ce tableau : si deux pixels possèdent les mêmes coordonnées x et y, la carte vidéo examine la coordonnée z et n’affiche que le pixel le plus proche de la caméra virtuelle. Le pixel le plus proche cache les pixels les plus éloignés. La puissance nécessaire pour ce genre d’exercice dans les jeux vidéo est telle que les cartes vidéo les plus récentes sont en réalité des supercalculateurs.

Combiner radiosité et lancer de rayons

Tous les logiciels de rendu mettent en œuvre des solutions mathématiques reposant sur une interprétation de la lumière. En résumé, ils tiennent compte de l’illumination locale et de l’illumination globale. L’illumination locale, dont les pionniers étaient les mathématiciens et ingénieurs Lambert, Gouraud ou Phong, Torrance ou Blinn qui ont donné leur nom aux différentes méthodes, permet de calculer la luminosité apparente d’un volume en ne considérant que des phénomènes circonscrits, propres à cet objet : les paramètres du point ou du triangle à éclairer, comme sa couleur, l’absorption ou l’émission de la lumière, l’emplacement des sources lumineuses par rapport à l’objet, etc. Cette technique permet de calculer les ombres propres à chaque objet, mais non les ombres projetées par un objet sur un autre. L’illumination globale, quant à elle, prend en compte non seulement la lumière qui atteint un objet directement à partir d’une source lumineuse, mais aussi celle qui est réfléchie par les diverses surfaces des objets de la scène à traiter. Cette approche rend visibles les objets qui ne sont pas éclairés directement par une source lumineuse, les réflexions de lumières sur des surfaces brillantes, la profondeur d’une matière qui serait composée d’une première couche transparente, puis d’une couche opaque, etc. Les méthodes les plus employées sont la radiosité, le lancer de rayon et tous ses avatars : beam-tracing, cone-tracing, path-tracing, photon mapping, etc. Le calcul de l’illumination globale ou diffuse est nettement plus long et plus consommateur de puissance informatique qu’un calcul d’illumination locale. Le principe de base de l’algorithme de lancer de rayons consiste à suivre le trajet des rayons dans le sens ­inverse de la propagation, du point d’observation vers les sources, en passant par les réflexions sur les surfaces. Pour chaque point source, un rayon est envoyé depuis le point d’observation. Dès la première surface atteinte, le rayon est soit réfléchi, soit transmis suivant la nature électromagnétique de la surface, et des rayons sont envoyés vers les sources afin de déterminer si le point d’impact est visible ou non. Le modèle de radiosité, modèle physique fondé sur l’évaluation des transferts radiatifs dans une scène, demande beaucoup de puissance, mais contribue malgré tout à contenir l’inflation des puissances informatiques. Tout objet d’une scène émet des radiations électromagnétiques le rendant lumineux, coloré, donc visible. La radiosité, c’est-à-dire la valeur des radiations électromagnétiques émises, est la somme de l’énergie émise intrinsèquement et de l’énergie générée par ré-émission d’une partie des radiations reçues en provenance des autres objets présents dans la scène. Après une infinité de ré-émissions successives des objets les uns sur les autres, un équilibre énergétique s’établit à l’intérieur de la scène. Chaque objet de la scène est alors affecté d’une composante lumineuse colorée. Avec l’approche par radiosité, les ombres portées sont calculées et les images obtenues sont très réalistes. Une fois l’équilibre énergétique calculé, l’affichage d’une scène est très rapide. Puisque, contrairement au lancer de rayons, il n’est pas nécessaire de recalculer l’équilibre, si la caméra virtuelle est déplacée à l’intérieur de la scène. Tant que la scène n’est pas modifiée, le calcul d’équilibre initial demeure valable et les rendus d’animation sont extrêmement rapides. En pratique, tous les programmes de rendu réaliste combinent les deux approches : illumination locale et illumination globale. Tous n’incluent pas la radiosité. Dans certains cas, des options portent d’autres noms, mais leur description évoque irrésistiblement la radiosité. C’est notamment le cas de l’option « FG », pour Final Gather, dans le moteur de rendu MentalRay. Toute la tâche des programmes faisant appel à l’illumination globale pour le rendu réaliste consiste à arbitrer entre le désir d’atteindre le niveau de réalisme le plus important possible, le nombre de réfractions successives à gérer, le caractère documenté ou non des spécificités physiques des objets incorporés dans la scène, le réalisme des sources lumineuses retenues, la puissance de calcul nécessaire pour traiter tout cela et le temps de calcul considéré comme acceptable par les utilisateurs du programme. Tout l’art de l’utilisateur consiste à choisir les sources lumineuses, le point de vue de la caméra virtuelle, les textures des surfaces de ses objets, etc.

Des applications issues du cinéma

Les principaux logiciels d’architecture embarquent des moteurs de rendu réaliste, d’une part. Les développeurs de moteurs de rendu rendent leurs applications compatibles avec divers programmes d’architecture, d’autre part. Enfin, partant de l’idée que « qui peut le plus, peut le moins », les entreprises spécialisées dans le rendu réaliste utilisent souvent les applications conçues pour le cinéma, comme Renderman de Pixar ou Cinema4D de Nemetschek, pour le rendu d’images architecturales. Développé à l’origine par l’allemand Maxon, Cinema4D a été racheté par Nemetschek. C’est un logiciel de création 3D permettant la modélisation de primitives, le texturage, l’animation et le rendu. Il est en est à sa version R10 depuis octobre 2006. Pour le rendu architectural, le module de base de Cinema4D doit être associé à d’autres outils spécialisés, notamment « Bodypaint » pour la création de textures par projection directe sur un objet et « Advanced Renderer » qui gère l’illumination globale et fait office de générateur de ciels, de fumée, de brume, poussière, flammes, etc. Mais il existe aussi une version « Architecture Edition » qui rassemble Cinema 4D R10, les modules Advanced Render (radiosité), Sketch and Toon et le « Architecture Extension Kit ». Ce kit ajoute des plug-ins spécifiques pour AutoCAD, Allplan et Vectorworks et permet l’importation de nombreux formats de fichiers : DXF, 3DS, OBJ, FBX, VRML etc. Il comporte également une bibliothèque de matériaux, de plantes et d’objets mobiliers. Cinema 4D peut être associé à d’autres moteurs de rendus spécifiques, comme finalRender de l’allemand Cebas.

AutoCAD utilise Mental Ray, qui combine illumination globale et radiosité. Revit Architecture contient AccuRender. C’est un rendu de haut niveau, qui peut être également intégré dans AutoCAD et Architectural Desktop d’Autodesk. AccuRender est le seul système de rendu pour AutoCAD utilisant les techniques du lancer de rayons et de la radiosité pour créer des images, des panoramas et des animations très réalistes et de haute définition. AccuRender fournit des outils précis de calcul des lumières indirectes, de création d’ombres douces, d’étalement de la couleur et d’analyse de l’éclairage. Le lancer de rayons permet d’obtenir des réflexions, des réfractions, des ombres, précises pour atteindre un réalisme absolu. Il est compatible avec les multiprocesseurs et le traitement en arrière-plan. Il peut être interrompu pendant le traitement pour retoucher les matériaux ou les lumières. Pas d’obligation d’attendre la fin du processus de rendu avant de voir l’image. Les intensités de lumières réelles sont définies en watts, en lumens ou en candelas. Les matériaux sont assignés par calques ou par objets. L’association avec AutoCAD ou Revit est particulièrement étroite. Tous les paramètres de rendu sont enregistrés avec le modèle issu du modeleur architectural. Chaque modification du modèle est immédiatement répercutée dans AccuRender. Ce moteur de rendu dispose de plus de 5 000 matériaux, 500 plantes gérées mathématiquement avec variation selon les saisons et 300 sources lumineuses différentes. Ce qui permet de rendre une scène en différentes saisons, par simple paramétrage. Il dispose enfin de matériaux algorithmiques et pas simplement de textures. Une poutre en bois présentera un dessin de sciage sur quartier sur les côtés et le dessin de la section transversale sur les extrémités. Le roi du rendu reste Artlantis. Distribuée par Abvent, la version 1.2.6 est parue en juillet 2007. Avec l’intégration des formats d’import DWF, OBJ et FBX et la mise à jour des plug-ins DXF, DWG et 3DS, Artlantis 1.2.6 devient une véritable passerelle vers la plupart des modeleurs disponibles. Les utilisateurs des produits Autodesk, tels que Autocad Architecture, Revit, 3dsMax, VIZ ou Maya, ainsi que d’autres logiciels comme Rhino, Cinema 4D, Lightwave, Modo, Softimage XSI, Poser peuvent désormais facilement utiliser Artlantis. Les modèles créés avec ces logiciels 3D sont récupérés, constitués de tous leurs éléments dans Artlantis : la géométrie, le nom des matériaux, les textures, les sources de lumière et les positions caméras. La version 1.2.6 est disponible dans les deux versions d’Artlantis : « R » pour le rendu statique et « Studio » pour l’animation. Le moteur de rendu offre notamment un calcul de radiosité en temps réel, des effets d’atmosphère et de matières et des sources lumineuses. La version Studio ajoute des animations, des panoramas et des objets au format QuickTime VR. Abvent, l’éditeur d’Artlantis propose en complément de la bibliothèque standard, des CD-Roms à thèmes, conçus spécialement pour Artlantis par des partenaires industriels ou par des auteurs indépendants, contenant une multitude de matériaux et de textures utilisables pour des images de synthèse (Macintosh et Windows).

Le choix d’une solution de rendu réaliste dépend beaucoup de l’outil de modelage architectural couramment utilisé et du degré d’intégration souhaité entre les deux applications. L’existence d’un plug-in, comme entre ArchiCAD et Artlantis, par exemple, témoigne d’une intégration étroite et signifie que les mises à jour dans le sens architecture vers rendu réaliste sera automatisée. En l’absence d’un plug-in, tous les moteurs de rendu importent du DXF, parfois du DWG et d’autres formats de fichiers 3D. Mais la mise à jour du rendu en cas de modification du fichier architectural doit être effectuée manuellement.

TABLEAU 20 applications pour aider à la conception

Application SL Editeur ou distributeur Système d’exploitation Version Application Interfaces Prix public (E HT)
3D Studio Max 515 Autodesk 32-bit : Vista et Windows XP Professional SP2. 64-bit : Vista et Windows XP Professional x64 9 Modeleur, rendu et animation, surtout utilisé pour confectionner des jeux vidéo Mental Ray, Combustion, VIZ, FBX, DWG avec lien actif vers AutoCAD, 3DS, AI, DDF, DEM, DWG, DXF™, HTR, IAM, IGES, IPT, LP, LS, MTL, OBJ, PRJ, SHP, STL, TRC, VW, WRL, WRZ 4 250
Accurender 516 Mc Neel Windows XP 4.0 Moteur de rendu AutoCAD 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 et Architectural Desktop, Revit Architecture 495, 195 pour éducation
ArchiCAD 517 Graphisoft (Nemetschek) Windows XP, Mac OS X 11 Modélisation, texturage et rendu DWG 2007, PDF 3D, fichiers IFC 5 930
Architecte 3D 518 Avanquest Software Windows XP et Vista Platinum CAD 2008 Modeleur et rendu Pas d’ouverture 99,90 
Artlantis R et Studio 519 Abvent Windows XP, Mac OS 10 1.2.6 Moteur de rendu « R » et animation 3D « Studio » DWF, OBJ, FBX, plug-ins DXF, DWG et 3DS 500 à 800.
AutoCAD 520 Autodesk AutoCAD Architecture 2008 Modélisation, texturage et rendu DWG 5 500
Blender 3D 521 Blender Foundation Windows, Linux, SGI, Beos, Solaris, FreeBSD, MacOSX 2.42 Modeleur, rendu réaliste (lancer de rayons radiosité) animation 3D DXF, DWG et 3DS Gratuit
Cinema 4D Architecture Edition 522 Maxon (Nemetschek) Windows XP, Vista, Mac OS X R10.111 Modélisation, texturage, animation et rendu Allplan, ArchiCAD et VectorWorks (plug-ins), DXF, 3DS, OBJ, FBX, VRML 1 400
finalRender Stage-2 523 Cebas GmbH Windows XP, Mac OS 10.3 et au-delà Stage-2 Moteur de rendu Maya 6.5, 7, 8.0 Cinema4D 9.1 et suivants. SoftImage et 3D Studio Max fin 2007. 995
LightWave 3D 524 Newtek Windows XP, Mac OS 10.3.9 9.2 Modélisation, animation et rendu EPS, 3DS, OBJ, DXF, FACT 119
Maxwell Render 525 Next Limit Windows, Mac OS X et Linux 1.5 Rendus réalistes (radiosité lancer rayon, etc.) et générateur de ciels Plug-ins Windows : 3DS Max, Rhino, SolidWorks, SoftImageXSI, Plug-ins OS X et Windows : Maya, Lightwave, Cinema 4D, Form Z, ArchiCAD 895   82,70 par module spécialisé Buildings, Skies, Mobilier…
Maya 526 Autodesk Windows XP, Vista, Mac OS X 10.4.9 et au-delà, Linux 8 Modeleur, effets, rendu et animation 3D mayaAscii, mayaBinary, MEL, FBX, aliasWire, IGES, DXF, OBJ, VRML2, MOV (ascii motion), GE2, RTG, OpenFlight, VRML2, mental ray, RIB, Open Inventor2. Maya IFF, Maya IFF 16, AVI, QuickTime, GIF, Softimage PIC, Wavefront RLA, BMP, TIFF, TIFF16, SGI, SGI16, Alias PIX, JPEG, EPS, Cineon, Quantel, Targa, DDS, PSD, PNG, QuickDraw, MacPaint, HDR, OpenEXR, MAP, Sony PlayStation TIM, Dassault Picture, PPM, mental ray formats (CT, ST, NT, MT, ZT, TT, BIT, CTH), PostScript, EPS, Macromedia SWF, Swfit3D, Adobe Illustrator, SVG.
Mental Ray Standalone 527 Autodesk Windows 32-bit et 64-bit, Linux® 32-bit aet 64-bit, Mac OS® X 3.5, 64 bits pour Linux Rendu réaliste Maya 8, 3DS Max 9
Pov-Ray (Persistence of Vision Raytracer) 528 Pov-Ray Foundation Windows et Linux 32 et 64-bit, Mac OS et Mac OS X 3.6 Rendu réaliste (radiosité lancer de rayons) Importe pratiquement tous les formats 3D. Gratuit (freeware)
Renderman 529 Pixar Windows XP, Mac OS X Renderman studio 1.0, Renderman for Maya 2.0 (plug-in) Animation 3D pour cinéma, télévision et jeux vidéo Maya 7.0 et 8.5 (pas 8.0) 995 $ pour Maya
RenderWorks 530 Nemetschek Windows 2000 SP4, XP SP2, Vista, Mac OS 10.3.9 et au-dessus 12 Moteur de rendu (radiosité, lancer de rayons, etc.), héliodon Toutes les versions de VectorWorks 460
Revit Building 531 Autodesk Revit Architecture Suite 2008 Modélisation, texturage et rendu DWG 5950
SoftImage XSI 532 SoftImage (Avid Technology) Windows XP Professional, Linux 6.5 Animation 3D pour cinéma, télévision et jeux vidéo DWG, etc. 2 995 $ à 4 995 $ (295 $ pour étudiants)
Strata 3D 533 Strata Windows 2000 et XP, Mac OS X 3.0 et 5.1 Modeleur et moteur de rendu par lancer de rayon VRML, StudioPro, 3DStudio, DXF Version 3.0 gratuite, 695 $ pour V 5.1
Viz 534 Autodesk 2008 Moteur de rendu simplifié DXF, DWG, 3DS 2 450

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