Lancer de rayon

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Le lancer de rayon (ray tracing en anglais) est une technique de rendu en synthèse d'image simulant le parcours inverse de la lumière de la scène vers l'œil.

Cette technique simple reproduit les phénomènes physiques que sont la réflexion et la réfraction. Une mise en œuvre naïve du lancer de rayon ne peut rendre compte d'autres phénomènes optiques tels que les caustiques (taches lumineuses créées à l'aide d'une lentille convergente par exemple) et la dispersion lumineuse (la radiosité s'attaque à ce problème).

En revanche, contrairement à d'autres algorithmes de synthèse d'image, elle permet de définir mathématiquement les objets à représenter et non pas seulement par une multitude de facettes.

Sommaire 1 Principe 2 Futur et prospectives 3 Voir aussi 4 Notes

[modifier] Principe

Le lancer de rayon consiste, pour chaque pixel de l'image générée, à lancer un rayon depuis le point de vue (la caméra) dans la scène 3D. Le premier point d'impact du rayon sur un objet définit l'objet concerné par le pixel correspondant.

Des rayons sont ensuite lancés depuis le point d'impact en direction de chaque source de lumière pour déterminer sa luminosité (est-il éclairé ou à l'ombre d'autres objets ?). Cette luminosité combinée avec la couleur de l'objet ainsi que d'autres informations éventuelles (angles entre la normale à l'objet et les sources de lumières, réflexions, transparence, etc.) déterminent la couleur finale du pixel.

Cette technique fonctionne exactement à l'inverse de la nature, qui, elle, lance des rayons de lumière depuis les sources lumineuses vers l'œil ou la caméra en passant par les objets, alors que le lancer de rayons procède de la caméra vers les sources de lumières. L'expérience montre en effet que cette manière de procéder est nettement plus performante. Pour plus de détails on pourra se reporter à ce travail sur les modèles d'illumination du lancer de rayon.

Différentes techniques permettent d'accélérer ce traitement lourd. Dans le cadre d'objets polygonaux (constitués de triangles par exemple), dessiner l'objet de façon classique (voir rastérisation) permet de déterminer précisément quels pixels seront réellement visibles, et permet de ne lancer de rayons que pour ces pixels limités. Les différentes techniques de détermination des surfaces cachées permettent de la même manière de réduire au maximum le nombre de rayons a lancer. Ces calculs préliminaires peuvent être réalisés par un processeur dédié afin de limiter le traitement à faire faire par le processeur principal. Le raytracing étant très gourmand en calcul vectoriel, l'utilisation de l'accélération matérielle, conçue pour ce calcul vectoriel (Shader), peut grandement aider à optimiser le résultat final.

[modifier] Futur et prospectives

Cette technique permet la génération d'images très réalistes mais peut requérir un temps de calcul colossal en fonction de la complexité de la scène 3D. Jusqu'en 2001, la puissance des ordinateurs ne permettait pas le calcul d'images en temps réel. Depuis, sous certaines conditions, de nombreuses optimisations de l'algorithme permettent un rendu en temps interactif (quelques images par seconde), voire réellement fluide (au delà de 25 images par seconde).

L'accélération matérielle par des cartes accélératrices dédiées n'est que très rarement utilisée, mais une interface de programmation existe : OpenRT. De plus Intel a promis que son projet Larabee^[1] accélèrerait matériellement le lancer de rayon.

Cependant, avec la généralisation des processeurs multi-cœurs l'algorithme du lancer de rayons voit ses possibilités étendues. En effet, cet algorithme se prête particulièrement bien au parallélisme (voir Calcul parallèle), chaque point de l'image pouvant être calculé indépendamment l'un de l'autre. L'immense majorité des logiciels de création graphique basés sur le lancer de rayons utilisent une implémentation multithread permettant la prise en charge des processeurs multi-cœurs. Avec l'apparition de chipsets graphiques multi-cœurs (Larabee de Intel), le lancer de rayons est sans doute amené à prendre de l'importance dans les applications de synthèse d'image en temps réel.

Ces méthodes informatiques pour la prédiction d'images trouvent depuis les années 1990 leurs homologues dans divers domaines, en particulier la prédiction de la propagation d'ondes sonores ou de micro-onde (téléphonie mobile) dans les milieux complexes. Le modèle physique sous-jacent aux algorithmes de lancer de rayon (le principe de Fermat) est en effet commun à l'optique et l'acoustique, à quelques raffinements près liés aux longueurs d'onde manipulées (phénomène de diffraction notamment).

[modifier] Voir aussi

• Photon mapping
• Povray : un logiciel de lancer de rayons libre.
• Yafray : un logiciel de lancer de rayons libre.
• Rayon
• Terragen est un logiciel spécialisé dans les paysages.
• (en) AntiPlanet, un jeu de tir en FPS en temps réel et en lancer de rayon.
• (en) Realstorm, un site avec des benchmarks et un jeu de bowling en démo, en lancer de rayon en temps réel.
• (en) RTChess, un jeu d'échecs en lancer de rayon en temps réel.
• (en) PolyWorld un bench accéléré 3D de RayTracing Temps réel.
• (en) BART une norme de bench accéléré 3D de RayTracing Temps réel, dont le but est la comparaison des mêmes scènes avec du Raycasting.

[modifier] Notes