Ray Tracing

Ray Tracing

Lancer de rayon

Exemple d'image de synthèse montrant la réfraction dans 3 milieux différents

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

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.

Exemple du calcul de l'intersection d'un rayon et d'un triangle

Intersection d'un rayon et d'un triangle

Un moyen simple et efficace pour calculer l'intersection d'un rayon avec un triangle consiste à calculer les coordonnées du point d'intersection I dans la base (\vec{u},\vec{v},\vec{r}). Il suffit de résoudre l'équation vectorielle \vec{OO_t}+I_u\vec{u}+I_v\vec{v}=\vec{OO_r}+I_r\vec{r}. A l'aide de la règle de Cramer, du produit mixte et en posant \vec{n}=\vec{u} \wedge \vec{v}, \vec{O_{tr}} = \vec{O_tO_r} on obtient:

I_r = - \frac{\vec{n}.\vec{O_{tr}}}{\vec{n}.\vec{r}} \ ;
I_u = \frac{(\vec{O_{tr}} \wedge \vec{v}).\vec{r}}{\vec{n}.\vec{r}} \ ;
I_v = \frac{(\vec{u} \wedge \vec{O_{tr}}).\vec{r}}{\vec{n}.\vec{r}}

Il suffit ensuite de vérifier que 0 \leq I_u \leq 1 \ ,0 \leq I_v \leq 1 \ ,I_r \geq 0 \ ,I_u+I_v \leq 1
Il est très simple d'étendre cette méthode à des rectangles et même à des polygones grâce au théorème des courbes de Jordan

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. Larrabee pourra être utilisé pour accélérer matérialement le rendu par raytracing, mais cette fonctionnalité ne fera pas partie du projet : elle devra être implémentée au besoin par d'autres projets/compagnies.[1]

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 (Larrabee de Intel),ou CUDA de NVIDIA, 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).

Voir aussi

Liens internes

Liens externes

Notes

  1. * Site d'un développeur du moteur 3D de Larrabee, Tom Forsyth, précisant que "Larrabee is going to render DirectX and OpenGL (...), not through raytracing" (entrée du 18 Avril 2008).

Ce document provient de « Lancer de rayon ».

Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Ray Tracing de Wikipédia en français (auteurs)

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Regardez d'autres dictionnaires:

  • Ray tracing — is a method for calculating the path of waves or particles through a system. The method is practiced in two distinct forms:*Ray tracing (physics), which is used for analyzing optical and other systems *Ray tracing (graphics), which is used for 3D …   Wikipedia

  • Ray Tracing — Raytracing (dt. Strahlverfolgung[1] oder Strahlenverfolgung[2], in englischer Schreibweise meist ray tracing, seltener ray shooting) ist ein auf der Aussendung von Strahlen basierender Algorithmus zur Verdeckungsberechnung, also zur Ermittlung… …   Deutsch Wikipedia

  • Ray tracing — Raytracing (dt. Strahlverfolgung[1] oder Strahlenverfolgung[2], in englischer Schreibweise meist ray tracing, seltener ray shooting) ist ein auf der Aussendung von Strahlen basierender Algorithmus zur Verdeckungsberechnung, also zur Ermittlung… …   Deutsch Wikipedia

  • Ray tracing — Lancer de rayon Exemple d image de synthèse montrant la réfraction dans 3 milieux différents 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… …   Wikipédia en Français

  • Ray tracing hardware — is a special purpose computer hardware design for accelerating real time ray tracing. Ray Tracing vs. Rasterization The problem of rendering 3D graphics can be conceptually presented as finding all intersections between a set of primitives… …   Wikipedia

  • Ray tracing (graphics) — In computer graphics, ray tracing is a technique for generating an image by tracing the path of light through pixels in an image plane. The technique is capable of producing a very high degree of photorealism; usually higher than that of typical… …   Wikipedia

  • Ray tracing (physics) — In physics, ray tracing is a method for calculating the path of waves or particles through a system with regions of varying propagation velocity, absorption characteristics, and reflecting surfaces. Under these circumstances, wavefronts may bend …   Wikipedia

  • Ray Tracing — …   Википедия

  • Ray tracing — …   Википедия

  • ray tracing — noun a) A computer graphics technique that produces realistic images by projecting imaginary light rays to determine which parts of an object should be illuminated. b) A technique used in optics for analysis of optical systems …   Wiktionary

Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”