Ray tracing

Schéma présentant le principe du ray tracing : un algorithme construit une image en étendant les rayons diffusés sur un objet dans une scène 3D.

Cette technique de rendu consiste, pour chaque pixel de l'image à générer, 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 les propriétés de la surface[7] de l'objet (sa couleur, sa rugosité, etc.), 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 à rebours des modèles physiques qui, eux, lancent des rayons de lumière depuis les sources lumineuses vers l'œil ou la caméra en passant par les objets, alors que le ray tracing procède de la caméra vers les sources de lumières. L'expérience montre en effet que cette manière de procéder est nettement plus performante[8] dans la plupart des cas (par contre, pour résoudre des caustiques par exemple, une méthode directe depuis les sources ou mixte est souvent préférée).

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 la 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 minimiser le nombre de rayons à lancer.

Ces calculs préliminaires peuvent être réalisés par un processeur dédié afin de limiter le traitement à faire par le processeur principal. Le ray tracing 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 de rendu avec la méthode de ray casting. On remarque que les reflets et la lumière sont réalistes.

Avant 1979, les algorithmes de ray tracing se contentaient seulement de lancer des rayons puis de déterminer la couleur de l'objet pour chaque rayon sans implémentation récursive. En 1979, J. Turner Whitted (en) proposa une approche récursive, c'est-à-dire d'utiliser l'algorithme de ray casting à partir du point concerné pour calculer sa couleur. Cela offre une meilleure précision physique, notamment pour les reflets[9].

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 ${\displaystyle ({\vec {u}},{\vec {v}},{\vec {r}})}$. Il suffit de résoudre l'équation vectorielle ${\displaystyle {\overrightarrow {OO_{t}}}+I_{u}{\vec {u}}+I_{v}{\vec {v}}={\overrightarrow {OO_{r}}}+I_{r}{\vec {r}}}$. À l'aide de la règle de Cramer, du produit mixte et en posant ${\displaystyle {\vec {n}}={\vec {u}}\wedge {\vec {v}},{\overrightarrow {O_{tr}}}={\overrightarrow {O_{t}O_{r}}}}$ on obtient :

${\displaystyle I_{r}=-{\frac {{\vec {n}}\cdot {\vec {O_{tr}}}}{{\vec {n}}\cdot {\vec {r}}}}\ ;I_{u}={\frac {\left({\overrightarrow {O_{tr}}}\wedge {\vec {v}}\right)\cdot {\vec {r}}}{{\vec {n}}\cdot {\vec {r}}}}\ ;I_{v}={\frac {\left({\vec {u}}\wedge {\overrightarrow {O_{tr}}}\right)\cdot {\vec {r}}}{{\vec {n}}\cdot {\vec {r}}}}}$

Il suffit ensuite de vérifier que ${\displaystyle 0\leq I_{u}\leq 1\ ,0\leq I_{v}\leq 1\ ,I_{r}\geq 0\ ,I_{u}+I_{v}\leq 1}$.

Il est très simple d'étendre cette méthode à des rectangles et même à des polygones grâce au théorème de Jordan[10].

• (en) PolyWorld un bench accéléré 3D de RayTracing Temps réel.

• Notice dans un dictionnaire ou une encyclopédie généraliste :

  • Britannica
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