Lionel Atty

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» Thèmes de recherche » Publications » Curriculum Vitae » Enseignement » Coin perso Tests - Variation de la taille de la source de lumiere

Statut actuel (ete 2005) : Stagiaire 3eme annee de Magistere

Statut futur (rentree 2005) : These sous convention CIFRE entre l'equipe ARTIS et le societe de developpement de jeux videos EdenGames

Thèmes de recherche

Sujet de recherche : Éclairage réaliste en temps-réel

Introduction

Ce sujet de recherche se situe dans le domaine de la simulation photoréaliste de l´éclairage. Dans le cadre d´un jeu vidéo, on cherche à afficher une scène (le jeu) de la façon la plus réaliste possible, afin d´obtenir que le joueur soit « plongé » dans l´univers du jeu. Ce côté photoréaliste correspond à une demande forte des joueurs, et donc des éditeurs de jeux vidéo.

Une simulation complètement photoréaliste de l´univers du jeu exigerait la résolution des équations numériques de la propagation de l´éclairage. Une telle résolution est techniquement possible, en utilisant des méthodes de simulation numériques, telles que les méthodes d´éléments finis et Monte-Carlo. Mais les temps de calcul pour une résolution complète sont de l´ordre de l´heure, incompatible avec les exigences du jeu vidéo, qui nécessite une mise à jour de l´image plusieurs dizaines de fois par seconde.

En effet, chaque déplacement d´un objet dans la scène (par exemple le personnage du joueur) peut changer toutes les conditions d´éclairage, et obliger à recalculer l´ensemble de la simulation.

Les consoles de jeu et les PC utilisés par les joueurs contiennent des cartes graphiques puissantes, et qui sont dans une certaine mesure programmables, permettant d´exécuter un petit programme pour chaque pixel de l´écran. Cette puissance de calcul peut être exploitée pour obtenir un meilleur rendu de l´éclairage. En même temps, cette puissance de calcul ne permet pas de calculer directement l´éclairage global : chaque programme est exécuté pour chaque pixel, sans avoir connaissance des valeurs d´éclairage calculées aux autres pixels, alors qu´un calcul de l´éclairage global exige de connaître l´éclairage en provenance de toute la scène.

Plusieurs méthodes ont été développées pour obtenir une simulation plus ou moins complète de l´éclairage grâce à cette capacité de programmation. Les tests effectués aussi bien par la société Eden Games que par les chercheurs de l´équipe ARTIS ont montré qu´aucune de ces méthodes n´est complètement satisfaisante. Elles sont souvent trop lentes pour les contraintes du jeu vidéo, qui exigent un rafraîchissement plusieurs dizaines de fois par seconde, et elles passent mal à l´échelle : lorsque la taille de la scène augmente, par exemple si on améliore les niveaux de détail, les temps de calcul augmentent encore plus vite, rendant impossible toute utilisation en pratique.

Le sujet de thèse proposé se situe à l´intersection de ces besoins, et de cette absence de méthode satisfaisante.

Ombres douces en temps réel

Un premier sujet de recherche sera le calcul des ombres portées par des objets dans la scène, en temps réel. Les ombres ont un effet très important dans la perception du réalisme de la scène ; elles permettent aussi de comprendre la géométrie de la scène, la position relative des objets. Les ombres douces (causées par des sources spatialement étendues) ajoutent une perception de la distance entre l´objet qui cause l´ombre et le récepteur.

Il existe de nombreuses méthodes permettant de calculer des ombres en temps réel, mais elles sont limitées au cas des ombres dures, causées par une source ponctuelle. Le jeu vidéo exige le calcul d´ombres douces, qui sont à la fois plus réalistes et plus agréables à regarder. Elles sont aussi beaucoup plus compliquées à calculer, et il n´existe aucune méthode satisfaisant aux contraintes de vitesse et de passage à l´échelle imposées par le jeu vidéo.

Nous allons développer un algorithme entièrement nouveau de simulation des ombres douces ; cet algorithme repose sur une discrétisation préalable de la scène, discrétisation conduite par les cartes graphiques. Ensuite, nous résoudrons le problème plus simple de calculer l´ombre portée par la scène discrétisée sur elle-même. L´avantage de cette méthode est son passage à l´échelle : comme on ne calcule l´ombre que sur la scène discrétisée, le temps de calcul est lié uniquement à la précision de la discrétisation, et non à la complexité de la scène elle-même.

Les difficultés sont liées :

d´une part au calcul des ombres douces ; le calcul de l´ombre douce pourrait être aussi complexe sur la scène discrétisée que sur la scène originale. Pour résoudre ce premier problème, nous orienterons la discrétisation de la scène de telle sorte que de nombreux termes se simplifient, accélérant ainsi les calculs.
d´autre part à la précision des calculs. Comme on ne travaille que sur une version discrétisée, moins précise, de la scène, on peut commettre une erreur sur le calcul de l´ombre douce. Nous allons mesurer l´erreur commise en fonction de la géométrie relative de la source lumineuse, de la scène et du plan utilisé dans la discrétisation. Dans un deuxième temps, nous utiliserons ces mesures de l´erreur pour guider l´algorithme afin d´obtenir une image précise en toutes circonstances.

Cet algorithme de discrétisation pourrait éventuellement être étendu à d´autres éléments du calcul de l´éclairage, comme le calcul de l´éclairage indirect.

Réalisme de la scène

Par ailleurs, les scènes employées dans les jeux vidéos sont réalisées par des graphistes. Ces graphistes modélisent la scène sous forme de polygones, mais éprouvent des difficultés pour modéliser les aspects non-surfaciques d´une scène, comme les cheveux et les poils ou les feuilles des arbres. Tous ces objets sont trop complexes pour être modélisés directement, et cependant ils aident grandement à la perception du réalisme de la scène. L´aspect individuel de chaque cheveu ou de chaque brin d´herbe n´est pas nécessaire à la perception idéale de la scène : il est juste nécessaire qu´on voie leur aspect général. La petite taille de chaque objet individuel pose aussi un problème d´échantillonnage : comme chaque objet est plus petit qu´un pixel, l´affichage « naïf » des cheveux, par exemple, fournit une image méconnaissable, où les aspects macroscopique de la chevelure, comme les mèches, sont méconnaissables.

Le travail sur les ombres devrait occuper la première moitié de la thèse. Dans un deuxième temps, nous allons travailler sur la représentation, l´animation et le rendu de ces objets en grand nombre de petites tailles. Nous comptons développer un nouvel algorithme d´affichage et d´animation de ces objets (les cheveux, mais aussi l´herbe ou les arbres), plus réaliste et permettant aux animateurs et aux graphistes de travailler sur les aspects macroscopiques, comme la coiffure, les mèches, etc.

Conclusion

Ce sujet de thèse porte, d´une façon générale, sur l´amélioration du réalisme des scènes affichées dans les jeux vidéos. Ce réalisme est un élément essentiel de la compétition entre entreprises de nos jours, et il constitue aussi un domaine de recherches intéressant pour l´équipe ARTIS. Nous pensons que cette collaboration entre l´équipe de recherche et l´entreprise Eden Games se traduira par de nouvelles découvertes scientifiques (pour le laboratoire) et un avantage concurrentiel important pour l´entreprise.