Rendu physique réaliste

En 2004, Matt Pharr, Wenzel Jakob, et Greg Humphreys publient un livre nommé Physically Based Rendering ; From Theory to Implementation dans lequel ils formalisent leur modèle de rendu 3D du même nom. Comme l'indique son sous-titre, le livre détaille à la fois la théorie derrière ce modèle et des détails d'implémentation pour pouvoir l'utiliser dans un système informatique[1] - [8].

Le 8 janvier 2014, la notoriété du livre et son statut de référence dans le domaine du cinéma d'animation font gagner à Matt Pharr, Greg Humphreys et Pat Hanrahan (qui a supervisé Matt Pharr) un des Oscars scientifiques et techniques de 2013[9]. L'éloge justifiant la remise du prix indique : « Le rendu physique réaliste a transformé la façon de faire des éclairages dans le domaine de l'infographie, en simulant de façon plus précise les matériaux et la lumière, permettant ainsi aux artistes du numérique de concentrer sur le cinéma plutôt que sur les aspects complexes du rendu. [...] Physically Based Rendering est à la fois un manuel et une implémentation de code source complète, qui a fourni une feuille de route pratique largement admise pour la plupart des ombrages basés sur la physique utilisés dans la production de films[9]. »

Pendant la préparation de leur film d'animation Raiponce, sorti en 2010, les studios d'animation Disney commencent à développer leur propre version du rendu physique réaliste, afin de représenter à l'écran les longs cheveux blonds de la princesse éponyme. Ils sont satisfaits du résultat en ce qui concerne les cheveux, mais ne peuvent pas adapter la technique aux autres matériaux déjà créés pour le film[10].

C'est alors pour leur film suivant, Les mondes de Ralph, sorti en 2012, qu'ils utilisent le rendu physique réaliste pour le rendu de tous les matériaux. Lors de leurs expérimentations, ils établissent des principes à respecter pour que la technique reste commode pour les artistes[10] :

1. Proposer des paramètres intuitifs plutôt que réalistes,
2. Proposer le moins de paramètres possible,
3. Toutes les valeurs plausibles d'un paramètre doivent être comprises entre zéro et un,
4. On autorise que les paramètres dépassent les limites là où cela est pertinent,
5. Toutes les combinaisons des paramètres doivent être plausibles.

Dans le même temps, les développeurs du studio de jeu vidéo Epic Games effectuent des recherches dans le but de moderniser le moteur de rendu 3D de leur moteur de jeu, le Unreal Engine. S'ils envisagent d'incorporer un rendu physique réaliste basé sur les matériaux pour une meilleure fidélité du rendu, c'est la publication par Disney de leurs résultats sur Les mondes de Ralph et de leurs "principes" qui les convainc que son adoption pouvait être faite tout en gardant une certaine simplicité d'utilisation. Ils établissent alors leurs propres "principes", et leur approche de cette technique est alors ajoutée au Unreal Engine dans sa version 4[11].

Alors que cette pratique était considérée trop gourmande en calculs pour la 3D en temps réel auparavant, elle peut désormais s'étendre dans le milieu du jeu vidéo[12]. D'autres moteurs de jeu s'en dotent alors, comme Unity dans sa version 5 publiée en 2014[12], et ensuite Godot dans sa version 3.0 publiée en janvier 2018[13]. Ce dernier est décrit par ses développeurs comme le premier moteur de jeu à proposer une fonction de réflectivité bidirectionnelle qui suit complètement les "principes" de Disney[13].

La texture d'albédo indique en chaque texel la quantité d'énergie, à la fois de la lumière réfléchie et de la lumière dispersée par le matériau. Plus intuitivement, elle représente simplement la texture de couleur du matériau, sans prendre en compte les ombres ou les variations de rugosité. Son utilisation est commode, car, si pour un matériau isolateur (non-métallique) la couleur perçue est celle de sa lumière diffuse, pour les matériaux métalliques, la couleur perçue est celle de sa lumière réfléchie. Ainsi, il suffit d'utiliser l'albédo pour déterminer les couleurs, indifféremment du caractère métallique, ou non, du matériau[3].

La texture de rugosité est une texture en nuances de gris qui indique en chaque texel une valeur de rugosité. Plus un texel est clair (proche du blanc), plus il sera considéré rugueux par le moteur de rendu, et, par conséquent, plus il dispersera la lumière et aura des reflets flous[3]. À l'inverse, plus un texel est sombre (proche du noir), plus il sera considéré lisse, et aura des reflets nets[2].

Plutôt qu'une texture de rugosité, certains moteurs de rendu attendent plutôt, dans leur interface, une texture qui a le même rôle mais qui est "inversée" : la texture de douceur. Dans ce cas les texels plus clairs sont interprétés plus lisses, et les texels plus sombres plus rugueux. Cette façon de faire est parfois considérée plus intuitive par les utilisateurs[2].

La texture de répartition du métal indique pour chaque texel s'il doit être considéré comme métallique ou non[3]. En théorie, un matériau n'est jamais à la fois métallique et isolateur en réalité, donc cette information est binaire et la texture à fournir est uniquement en noir et blanc. Cependant la plupart des moteurs de rendu préfèrent tout de même proposer un continuum de valeurs de "métallicité" entre le "métallique" et le "non-métallique". Cela permet de simuler de façon satisfaisante des imperfections, ou la présence d'un dépôt de matière non métallique comme la poussière, sur la surface des métaux, sans requérir une meilleure résolution de texture. Dans ce cas, la texture à fournir est en nuances de gris[2] - [5].

Un rendu physique réaliste peut en général prendre en compte d'autres techniques de rendu qui existent par ailleurs. En plus des textures précitées, il peut être possible d'utiliser des normal maps pour que la lumière se comporte comme si la texture était en relief, des textures de placage de relief pour simuler la modification de la géométrie de l'objet lors du rendu, des textures de déplacement modifiant la géométrie de l'objet lors du rendu, ainsi que des textures d'occlusion ambiante pour représenter des ombres qui ne seront pas calculées en temps réel[2] - [5].