Comprendre et optimiser la luminosité variable dans 3ds Max
La radiosité est une technologie de rendu qui simule de manière réaliste les interactions de la lumière dans un environnement. Cette rubrique présente les concepts liés à la radiosité et la manière dont cette technique d'illumination globale est associée à d'autres techniques de rendu disponibles dans 3ds Max. Ces informations aideront à déterminer la technique la mieux adaptée à la tâche de visualisation souhaitée.
Amélioration de la qualité d'image grâce à la radiosité
La technologie de radiosité de 3ds Max génère des simulations photométriques plus précises de l'éclairage des scènes. Les effets tels que la lumière indirecte, les ombres douces et le débordement de couleur entre des surfaces créent des images d'un réalisme naturel, impossible à atteindre avec un rendu de lignes de balayage standard. Ces images offrent une meilleure représentation, plus prévisible, de l'apparence des conceptions dans des conditions d'éclairage spécifiques.
Un éclairage plus intuitif avec les unités photométriques
Conjointement aux techniques de radiosité, 3ds Max fournit également une interface d'éclairage réel. Au lieu de spécifier l'intensité de l'éclairage avec des valeurs arbitraires, il est possible d'utiliser des unités photométriques (lumens, candelas, etc.) pour paramétrer l'intensité de l'éclairage. De plus, les caractéristiques des installations d'éclairage réelles peuvent être définies à l'aide de fichiers normalisés de distribution de l'intensité lumineuse (tels que IES, CIBSE et LTLI), disponibles auprès de la plupart des fabricants d'éclairages. L'utilisation d'une interface d'éclairage réel permet de configurer de manière plus intuitive l'éclairage des scènes, permettant de se concentrer davantage sur l'exploration de la conception que sur les techniques graphiques informatiques nécessaires à sa visualisation précise.
Principes fondamentaux de la modélisation 3D et du rendu
Les modèles 3D créés dans 3ds Max contiennent des données géométriques définies en relation avec un système de coordonnées cartésiennes 3D, désigné comme espace univers. Le modèle comporte également d'autres informations sur le matériau de chacun des objets et l'éclairage de la scène. L'image d'un moniteur d'ordinateur est formée de nombreux points illuminés, appelés pixels. La tâche de création d'une image informatique graphique d'un modèle géométrique consiste à déterminer la couleur de chaque pixel en fonction des informations du modèle et d'un point de vue spécifique (caméra). La couleur de tout point spécifique sur une surface de modèle est fonction des propriétés du matériau physique de cette surface et de la lumière qui l'illumine.
Algorithmes d'ombrage : illumination locale et globale
Deux algorithmes d'ombrage généraux, illumination locale et illumination globale, sont utilisés pour décrire la manière dont les surfaces reflètent et transmettent la lumière. Les algorithmes d'illumination locale décrivent uniquement la manière dont les surfaces individuelles reflètent ou transmettent la lumière. En se basant sur une description de la lumière arrivant sur une surface, ces algorithmes mathématiques, appelés ombrages dans 3ds Max, prédisent l'intensité, la couleur et la distribution de la lumière quittant cette surface. En conjonction avec une description de matériau, les différents ombrages détermineront, par exemple, si une surface apparaîtra comme du plastique ou du métal, ou si elle sera lisse ou rugueuse. 3ds Max offre une interface puissante pour la définition d'un large ensemble de différents matériaux de surface.
Comprendre la lumière dans le rendu 3D
Après la définition du mode d'interaction d'une surface individuelle avec la lumière au niveau local, la tâche suivante consiste à déterminer d'où provient la lumière arrivant sur la surface. Avec le système de rendu de lignes de balayage standard de 3ds Max, seule la lumière provenant directement des sources lumineuses elles-mêmes est prise en compte dans l'ombrage. Pour des images plus précises, il est important de ne pas uniquement tenir compte des sources lumineuses, mais aussi du mode d'interaction de toutes les surfaces et objets de l'environnement avec la lumière. Par exemple, certaines surfaces bloquent la lumière, projetant des ombres sur d'autres surfaces ; certaines sont brillantes, réfléchissant d'autres surfaces ; certaines sont transparentes, laissant voir d'autres surfaces à travers ; et certaines reflètent la lumière sur d'autres surfaces.
Les algorithmes de rendu qui prennent en compte les moyens de transfert de la lumière entre les surfaces du modèle sont appelés algorithmes d'illumination globale. 3ds Max propose deux algorithmes d'illumination globale faisant partie intégrante de son système de rendu de production : le lancer de rayons et la radiosité.
La physique de la lumière : photons, réflexion et diffusion
Avant d'expliquer le fonctionnement du lancer de rayons et de la radiosité, il convient de comprendre le mode de distribution de la lumière dans le monde physique. Prenons, par exemple, une cuisine avec deux sources lumineuses. Une théorie de la lumière considère cette dernière en termes de particules discrètes appelées photons, qui voyagent depuis la source lumineuse jusqu'à ce qu'elles rencontrent une surface. Selon le matériau de la surface, certains de ces photons sont absorbés tandis que d'autres sont redisséminés dans l'environnement. Le fait que des photons se déplaçant à une longueur d'ondes donnée soient absorbés ou non détermine la couleur de la surface.
Réflexion spéculaire et diffuse
Les surfaces très lisses reflètent les photons dans une direction, à un angle égal à l'angle auquel ils arrivent sur la surface (angle d'incidence). Ces surfaces sont appelées surfaces spéculaires, et ce type de réflexion est désigné comme réflexion spéculaire. Un miroir est un exemple de surface parfaitement spéculaire. De nombreux matériaux affichent un certain degré de réflexion à la fois spéculaire et diffuse.
La manière dont les photons sont réfléchis à partir d'une surface dépend principalement de la régularité de la surface. Les surfaces rugueuses tendent à refléter les photons dans toutes les directions. On les appelle des surfaces diffuses, et ce type de réflexion est désigné comme réflexion diffuse. Un mur peint de manière plane constitue un bon exemple de surface diffuse.
Illumination directe et indirecte
L'illumination finale d'une scène est déterminée par l'interaction entre les surfaces et les milliards de photons émis par la source lumineuse. À un point donné d'une surface, il est possible que des photons soient arrivés directement de la source lumineuse (illumination directe) ou indirectement suite à un ou plusieurs rebonds sur d'autres surfaces (illumination indirecte).
Objectifs et limites des algorithmes d'illumination globale
En informatique graphique, nous remplaçons les bâtonnets et cônes d'une rétine par les pixels de l'écran d'ordinateur. Un objectif d'un algorithme d'illumination globale est de recréer, aussi précisément que possible, ce que l'on verrait si l'on était dans un environnement réel. Un second objectif est d'accomplir cette tâche aussi vite que possible, idéalement en temps réel (30 images par seconde). Aucun algorithme d'illumination globale n'est pour le moment en mesure d'atteindre ces deux objectifs.
Le lancer de rayons (Ray Tracing)
L'un des premiers algorithmes d'illumination globale mis au point est désigné comme lancer de rayons. L'algorithme reconnaît que bien que des milliards de photons puissent traverser une scène, ceux qui nous intéressent principalement sont ceux qui entrent dans l'œil. L'algorithme fonctionne en traçant des rayons inverses, depuis chaque pixel de l'écran vers le modèle 3D. Nous calculons ainsi uniquement les informations requises pour construire l'image.
Processus de rendu par lancer de rayons
Pour créer une image à l'aide du lancer de rayons, la procédure suivante est exécutée pour chaque pixel de l'écran d'ordinateur :
- Un rayon est retracé depuis la position de l'œil, en passant par le pixel du moniteur, jusqu'à ce qu'il rencontre une surface. Nous connaissons la réflectivité de la surface à partir de la description du matériau, mais nous ne connaissons pas encore la quantité de lumière atteignant cette surface.
- Pour déterminer l'illumination totale, nous traçons un rayon à partir du point d'intersection jusqu'à chaque source lumineuse de l'environnement (rayon d'ombre). Si le rayon dirigé vers une source lumineuse n'est pas bloqué par un autre objet, la contribution lumineuse de cette source est utilisée pour calculer la couleur de la surface.
- Si une surface rencontrée est brillante ou transparente, nous devons également déterminer ce que la surface traitée reflète ou laisse transparaître. Les étapes 1 et 2 sont répétées dans la direction reflétée (et, en cas de transparence, transmise) jusqu'à ce qu'une autre surface soit rencontrée. La couleur au point d'intersection suivant est calculée et prise en compte dans le point d'origine.
- Si la seconde surface est également réfléchissante ou transparente, le processus de lancer de rayons se répète, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'un nombre maximal d'itérations soit atteint ou qu'aucune surface supplémentaire ne soit rencontrée.
Avantages et inconvénients du lancer de rayons
L'algorithme de lancer de rayons est très polyvalent, offrant une large gamme d'effets d'éclairage. Il peut représenter avec précision l'illumination directe, les ombres, les réflexions spéculaires (par exemple, des miroirs) et la réfraction à travers des matériaux transparents. Le principal inconvénient du lancer de rayons est qu'il peut être très lent pour les environnements dont la complexité est modérée.
Dans 3ds Max, le lancer de rayons est utilisé de manière sélective sur les objets avec des matériaux spécifiant le lancer de rayons comme option d'ombrage. Il peut également être défini pour les sources lumineuses comme méthode de rendu des ombres projetées.
Limites du lancer de rayons et du rendu par lignes de balayage
Un inconvénient notable du lancer de rayons et du rendu par lignes de balayage est qu'ils ne tiennent pas compte d'une caractéristique très importante de l'illumination globale : les inter-réflexions diffuses. Avec le lancer de rayons traditionnel et le rendu par lignes de balayage, seule la lumière arrivant directement des sources lumineuses est représentée avec précision. Cependant, la lumière arrivant sur une surface provient non seulement des sources lumineuses (éclairage direct), mais également d'autres surfaces (éclairage indirect).
Si l'on effectuait le lancer de rayons sur une image, les zones d'ombre apparaîtraient en noir car elles ne reçoivent aucune lumière directe des sources lumineuses. Or, par expérience, ces zones ne seraient pas totalement sombres étant donné la lumière qu'elles reçoivent des murs environnants et du sol. Dans le rendu par lignes de balayage et le lancer de rayons traditionnel (versions de 3ds Max antérieures à la version 5), cette illumination indirecte était généralement représentée en ajoutant une valeur de lumière ambiante arbitraire, sans corrélation avec le phénomène physique d'illumination indirecte. C'est la raison pour laquelle les images par lignes de balayage et lancer de rayons peuvent souvent sembler très plates, en particulier les rendus d'environnements architecturaux, qui comportent principalement des surfaces diffuses.
La radiosité : une approche alternative pour l'illumination globale
Pour répondre au problème des inter-réflexions diffuses, des chercheurs ont commencé à étudier d'autres techniques de calcul de l'illumination globale, en s'inspirant de la recherche en ingénierie thermique. Au début des années 1960, des ingénieurs ont mis au point des méthodes de simulation du transfert de chaleur radiante entre les surfaces pour déterminer comment leurs conceptions se comporteraient dans des applications telles que les fours et les moteurs. Au milieu des années 1980, des chercheurs en informatique graphique ont commencé à étudier l'application de ces techniques pour simuler la propagation de la lumière. La radiosité, terme désignant cette technique dans l'univers de l'informatique graphique, diffère fondamentalement du lancer de rayons. Au lieu de déterminer la couleur de chaque pixel d'un écran, la radiosité calcule l'intensité de toutes les surfaces de l'environnement.
Un rayon de lumière frappant une surface est reflété par plusieurs rayons diffus, qui peuvent eux-mêmes illuminer d'autres surfaces. Même si le résultat était indépendant de la vue, le traitement préalable était très long. L'affinement progressif a été inventé en 1988, une technique qui affiche des résultats visuels immédiats pouvant s'améliorer progressivement en précision et qualité visuelle. La technique appelée rendu par relaxation stochastique (SRR), inventée en 1999, est le fondement des systèmes de radiosité commerciaux fournis par Autodesk.
Comparaison et complémentarité entre lancer de rayons et radiosité
Bien que les algorithmes de lancer de rayons et de radiosité soient très différents, ils sont complémentaires à plusieurs égards. Chaque technique possède des avantages et des inconvénients.
Avantages et inconvénients du lancer de rayons
- Avantages : Effectue un rendu précis de l'illumination directe, des ombres, des réflexions spéculaires et des effets de transparence.
- Inconvénients : Calculs poussés. Le temps requis pour produire une image est fortement affecté par le nombre de sources lumineuses. Le processus doit être répété pour chaque vue (dépendant de la vue). Ne tient pas compte des inter-réflexions diffuses.
Avantages et inconvénients de la radiosité
- Avantages : Calcule les inter-réflexions diffuses entre les surfaces. Fournit des solutions indépendantes de la vue pour un affichage rapide de vues arbitraires. Offre des résultats visuels immédiats.
- Inconvénients : L'algorithme d'échantillonnage des surfaces est plus sujet au parasitage des images que le lancer de rayons. Ne tient pas compte des réflexions spéculaires ni des effets de transparence.
Ni la radiosité, ni le lancer de rayons n'offrent une solution complète pour simuler tous les effets d'illumination globale. La radiosité excelle dans le rendu d'inter-réflexions diffuses, tandis que le lancer de rayons rend parfaitement les réflexions spéculaires. En intégrant les deux techniques à un système de rendu de production, 3ds Max offre une alliance idéale.
Une fois la solution de radiosité créée, il est possible d'effectuer le rendu d'une vue bidimensionnelle de cette solution. Dans une scène 3ds Max, le lancer de rayons ajoute des effets en plus de ceux produits par la radiosité : les lumières peuvent engendrer des ombres par lancer de rayons et les matériaux peuvent engendrer des réflexions et des réfractions par lancer de rayons. La scène rendue combine ces deux techniques pour un réalisme accru.
V-Ray 3.0 pour 3ds Max – Intensité maximale des rayons
Problèmes de variation de luminosité et solutions potentielles
Certains utilisateurs ont signalé des problèmes de luminosité d'écran qui varie rapidement, notamment sur des configurations spécifiques comme les Surface Book avec cartes graphiques Nvidia. Il a été constaté que ce problème pouvait être lié à des fonctions de la carte graphique. Le fait que le problème ne se produise pas lorsque l'appareil est branché suggère une interaction avec la gestion de l'alimentation.
Il est également observé que le curseur "Efficacité énergétique" peut se réinitialiser automatiquement. De plus, même avec la fonction d'économie d'énergie de Intel désactivée, l'écran peut diminuer sa luminosité en fonction du contenu affiché.
Paramètres de performance et dégradation adaptative
Il est conseillé d'essayer de faire glisser le paramètre "Efficacité énergétique" vers la gauche pour améliorer la qualité graphique tout en économisant la batterie. Il est possible qu'un paramètre du côté de Nvidia soit à l'origine du problème.
La dégradation adaptative peut améliorer les performances des fenêtres lors de la transformation d'une géométrie, de la modification de la vue ou de la lecture d'une animation. Cela se fait en diminuant temporairement la fidélité visuelle de certains objets, par exemple en dessinant des objets plus grands ou en dessinant ceux plus proches de la caméra comme des boîtes englobantes au lieu de filaires. Lorsque la dégradation adaptative est désactivée, 3ds Max affiche tous les détails de la géométrie, ce qui peut ralentir les performances des fenêtres et la lecture des animations. Par ailleurs, certaines images de l'animation sont ignorées si la carte graphique ne peut afficher l'animation en temps réel.
Conseil : Activez la dégradation adaptative lorsque vous travaillez sur des modèles de taille importante, autour desquels vous souhaitez naviguer, et que les performances de votre système vous semblent ralenties.
Configuration des fenêtres dans 3ds Max
Pour ajuster ces paramètres :
- Cliquez avec le bouton gauche ou droit de la souris sur l'étiquette fenêtre Paramètres généraux ("[ + ]").
- Dans le menu Étiquette principale de la fenêtre, choisissez Configurer les fenêtres.
- 3ds Max ouvre la boîte de dialogue Configuration fenêtre.
- Dans la boîte de dialogue Configuration fenêtre, ouvrez le groupe de fonctions Affichage progressif ou Dégradation adaptative et ajustez les paramètres.
Il est important de noter que les fenêtres Nitrous disposent également d'un affichage progressif, qui permet d'améliorer l'aspect des fenêtres. Lorsque l'affichage progressif est activé, les fenêtres affichent des images avec une qualité équivalente à celle d'un rendu.
L'importance de la correction Gamma dans 3ds Max
La correction Gamma joue un rôle crucial dans le processus de rendu. Initialement conçue pour compenser les faiblesses des anciens écrans CRT, elle permet aujourd'hui de produire des images plus proches de la vision humaine. Il est nécessaire d'examiner les réglages dans 3ds Max, notamment l'option Enable Gamma Lut Correction et le paramètre par défaut de 2.2, pour assurer un rendu correct des couleurs dans l'éditeur de matériaux et le sélecteur de couleurs. La visualisation avec V-Ray, en utilisant le V-Ray Frame Buffer et en vérifiant que le bouton Display Color in sRGB Space est activé, est également recommandée.
Modifier la valeur du gamma dans 3ds Max, en passant de la valeur par défaut de 1.8 à 2.2, améliorera significativement la diffusion de la lumière dans vos scènes, résultant en des ombres plus douces et une lumière plus homogène. En synchronisant ces réglages avec le VrayFrameBuffer, vous assurez une cohérence visuelle. En activant le gamma dans les préférences de 3ds Max et en l'appliquant au Color Selector et au Material Editor, vous observerez une amélioration notable de l'éclairage de vos matériaux. Un rendu test avec ces nouveaux paramètres montrera une diffusion de la lumière plus progressive, réduisant les zones brûlées et les ombres trop foncées, et évitant d'alourdir les temps de rendu en ajoutant des lumières supplémentaires.
Présentation de 3ds Max et de ses capacités d'éclairage
Lancé en 1996 par Autodesk, 3ds Max est l'un des logiciels d'image de synthèse les plus utilisés dans le cinéma et les jeux vidéo. Il prend en charge tous les aspects de l'infographie 3D : modélisation, animation et rendu. Son immense potentiel et sa puissance en font un outil essentiel pour le concepteur et l'animateur 3D.
Systèmes d'éclairage avancés dans 3ds Max
L'éclairage 3D est l'une des étapes les plus difficiles à paramétrer. Il est possible de doter une lumière de n'importe quelle couleur et même d'animer la couleur pour simuler des lumières qui s'atténuent ou changent de couleur.
- Lumières photométriques : Permettent de travailler de manière plus précise et intuitive en utilisant les unités d'éclairage du monde réel (lumens et candelas). Elles prennent également en charge des formats de fichiers photométriques standard (IES, CIBSE, LTLI) pour modéliser les caractéristiques des luminaires du monde réel ou importer des luminaires prêts à l'emploi.
- Système Lumière du jour : Combine le système solaire et le dôme de lumière pour créer un système unifié qui suit le mouvement et l'angle géographiquement correct du soleil au-dessus de la terre. L'interface permet de choisir le lieu, la date, l'heure et l'orientation, ainsi que d'animer la date et l'heure.
Paramètres d'éclairage et d'ombre
L'éclairage par défaut illumine uniformément l'intégralité de la scène. Associé aux différents types d'éclairages existants dans 3ds Max, un panneau de réglage modifié présente de multiples paramètres modifiables. La partie shadows correspond à l'activation ou non des ombres de la lampe. Parmi Intensity/Color/Attenuation, le paramètre Multiplier détermine la puissance de la lampe (à 1, elle éclaire à 100 % ; à 0,5, à 50 %). Shadow parameters correspond aux paramètres de l'ombre, les Shadow Map Params changeant en fonction du type d'ombrage sélectionné.
Conseils pour l'utilisation de 3ds Max et la gestion des ressources
Pour faciliter le travail de la mise en lumière, une boîte de dialogue aide à coordonner et régler les différents outils de 3ds Max. Cet outil contribue à l'analyse de l'éclairage d'une scène.
Il est fortement recommandé de suivre, dans un premier temps, une formation globale sur l'utilisation de 3ds Max, puis une formation thématique axée sur la lumière. Le logiciel est très puissant et devient vraiment efficace dès lors que l'utilisateur a suivi une formation et pratique depuis plusieurs mois, voire plusieurs années.
De plus, le logiciel est onéreux et pour éditer des plans techniques, il faut obligatoirement passer par le logiciel Revit d'Autodesk. Il est impératif de disposer d'un PC surpuissant, équipé d'une carte graphique tout aussi surpuissante. Enfin, il est indispensable de bien estimer dans son processus de travail les temps de rendu, c'est-à-dire le temps de calcul de l'image finale.
Malgré la puissance de cet outil, le logiciel 3ds Max n'a pas lieu d'exister au sein d'un bureau d'études lumière dont l'objectif est la productivité. En bref, le logiciel 3ds Max est l'outil parfait pour les concepteurs en animation 3D.
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