Façonner l’imaginaire. De la création 3D aux mondes virtuels animés
|Introduction
Texte intégral
1La chaire annuelle d’Informatique et sciences numériques, créée en partenariat avec l’Institut national de recherche en informatique et en automatique (Inria), accueille depuis six ans au Collège de France un ou une spécialiste venant nous parler d’un aspect de cette science qui joue un rôle de plus en plus important dans notre vie. Depuis la création en 2012 de la chaire permanente « Algorithmes, machines et langages », occupée par Gérard Berry (qui fut également titulaire de cette chaire annuelle), ce sont donc deux enseignements consacrés à ce domaine de recherche que le Collège de France offre tous les ans à ses auditeurs. Celui que nous inaugurons aujourd’hui porte sur l’utilisation de l’outil numérique pour créer et animer un monde virtuel en trois dimensions à des fins artistiques, ludiques, scientifiques ou industrielles.
2La première question qui se pose lorsqu’on parle de création en trois dimensions est, bien sûr, comment donner l’illusion de la profondeur sur un écran qui ne fait apparaître directement que la largeur et la hauteur ? Ce défi a préoccupé les artistes et les scientifiques depuis longtemps et les solutions que l’informatique élabore aujourd’hui sont l’aboutissement d’un long effort marqué au cours des siècles par des étapes importantes, dont je rappellerai quelques-unes.
3Les historiens de l’art occidental font remonter à Masaccio, au début du Quattrocento italien, la première représentation de la perspective fondée sur des considérations géométriques. La Crucifixion peinte dans l’église de Santa Maria Novella, avec cette voûte qui donne l’impression de s’enfoncer dans le mur et ces lignes de fuite idéales, rompt avec les images plates et naïves du Moyen Âge et fournit une première réponse artistique à la représentation de la profondeur, que les artistes italiens des générations suivantes ont exprimée avec génie. Les tableaux de Piero della Francesca représentant la ville idéale, avec ses perspectives fuyantes, en sont des exemples parfaits, ainsi que ceux de Mantegna, où les pieds des personnages couchés semblent sortir du tableau avec une vérité criante. À cette approche géométrique, Léonard de Vinci et les peintres flamands ajoutèrent l’art du dégradé des tons et des couleurs, le sfumato, la représentation de la brume des paysages qui contribue aussi à exprimer la profondeur.
4Ces approches intuitives de la représentation des trois dimensions furent ensuite complétées par les mathématiques. À la fin du xviiie siècle, Monge, l’un des fondateurs de l’École polytechnique, codifia la géométrie descriptive, mère du dessin industriel, qui résout le problème graphique de la représentation des intersections des volumes et des ombres, et permet le dessin d’un objet sous différents angles choisis arbitrairement. Avant l’avènement de l’ordinateur, cette géométrie descriptive faisait appel, en plus de la connaissance mathématique des courbes et des surfaces, à l’art du dessin, ce qui nécessitait le maniement précis et rigoureux de la règle, du compas et de l’encre de Chine. Je me souviens avec une certaine émotion des épreuves de dessin industriel que je dus subir en classes préparatoires. Mon aptitude aux mathématiques n’était pas suffisante pour pallier mes déficiences artistiques et la géométrie descriptive n’était certainement pas mon fort !
5La physique et la physiologie intervinrent à leur tour dans cette longue histoire pour apporter des réponses au problème de la profondeur des images. On sait que l’impression de relief provient de notre vision binoculaire : nos deux yeux voient le monde sous des angles légèrement différents et fournissent au cerveau l’information lui permettant d’évaluer la troisième dimension. Dès l’avènement de la photographie, on inventa la stéréoscopie, qui consistait à prendre deux vues d’une même scène et à placer les deux plaques photographiques devant les yeux dans une visionneuse qui reconstituait le relief. Cette technique fit fureur au début du siècle dernier et nous sommes nombreux à avoir dans nos archives familiales ces doubles plaques photographiques de verre dont l’observation devient difficile si l’on a perdu leurs appareils de lecture, vestiges d’un monde disparu. Le principe de la stéréoscopie s’applique aujourd’hui au cinéma 3D, qui présente au spectateur deux images superposées de lumière polarisée différemment. Il suffit de se munir d’une paire de lunettes spéciales qui permettent à chaque œil de voir respectivement une des deux images pour ressentir le relief de façon impressionnante. La vision de la salle de cinéma, avec tous ces visages éclairés par l’écran et affublés des mêmes lunettes sombres est également, d’une autre façon, impressionnante.
6Le physicien ne peut passer sous silence une autre contribution de l’optique à la perception de la troisième dimension, celle de l’holographie. Une photo ordinaire enregistre simplement l’intensité lumineuse diffusée par l’objet photographié vers la surface réceptrice de la caméra, qu’il s’agisse d’une plaque argentique ou d’un réseau de pixels numériques. Cette intensité fournit une information à deux dimensions. Mais la lumière transporte, en plus de son intensité, une autre information, celle de sa phase, dont l’enregistrement permet de reconstituer la troisième dimension qui manque à la photo ordinaire. En éclairant l’objet avec la lumière cohérente d’un laser et en superposant la lumière qu’il diffuse à celle de la source lumineuse, on enregistre sur une plaque sensible une image d’interférence, un hologramme comme on l’appelle ; celui-ci contient toute l’information transportée par la lumière que diffuse l’objet observé, en amplitude et en phase. Cette image ne ressemble en rien à l’objet lui-même, mais si on l’éclaire avec la lumière d’un laser identique à celui qui a permis de fabriquer l’hologramme, on reconstruit, en transmission ou en réflexion, un champ lumineux identique à celui que diffusait l’objet initial, ce qui nous en donne une image en trois dimensions, autour de laquelle on peut tourner pour l’observer sous tous les angles possibles. On crée ainsi un véritable avatar physique, vision fantomatique de l’objet ou de la personne photographiée, ayant toute l’apparence du réel.
7C’est un lieu commun de dire que la photographie, en nous offrant sur une plaque sensible une représentation fidèle de la nature, a dès la fin du xixe siècle détaché les peintres de la représentation réaliste du monde en les poussant à chercher d’autres formes originales d’expression. La perspective n’a pas échappé à cette recherche. Le cubisme, en donnant une vision éclatée d’un visage ou d’un objet, en le représentant à la fois de face et de profil, a été l’une des réponses, n’ayant plus rien à voir ni avec la vision objective du monde ni avec celle de la science, que l’art moderne a donné à la question de la représentation des trois dimensions sur une toile.
8Mais revenons au réalisme et à la science. L’avènement du numérique et d’ordinateurs puissants capables de coder et de mémoriser l’information nécessaire à la reconstruction des objets en trois dimensions a rendu possible la création de mondes virtuels, ce qui a conduit à toutes sortes d’applications, que ce soit dans l’industrie, l’architecture, l’art, cinéma, la chirurgie ou la médecine. La reconstruction tridimensionnelle de molécules chimiques complexes ou de protéines que l’on peut observer sous tous les angles et dont on peut suivre les déformations, joue un rôle important dans la recherche en biologie. Il en est de même de la reconstruction des structures galactiques dans lesquelles l’astrophysicien peut s’immerger virtuellement grâce à la puissance de calcul des ordinateurs. Il ne s’agit plus d’utiliser des méthodes physiques analogiques reconstruisant de façon plus ou moins simple ou précise le monde en trois dimensions, mais d’exploiter la puissance du numérique, le codage de l’information en suite de 0 et de 1 pour recréer un monde en trois dimensions, voire en quatre, si on y ajoute la possibilité de faire évoluer les images dans le temps. La mise au point de logiciels de plus en plus puissants – et, si possible, de plus en plus simples et pratiques à utiliser – pour créer des contenus évolutifs tridimensionnels est donc un des enjeux majeurs de la science informatique moderne.
9Marie-Paule Cani, c’est à ce domaine de recherche en pleine évolution que vous allez initier vos auditeurs. Vous avez été formée à l’École normale supérieure et à l’université d’Orsay, qui vous a décerné votre doctorat. Vous êtes actuellement professeur d’informatique à l’Institut national polytechnique (INP) /Ensimag de Grenoble, où vous êtes responsable de l’équipe Imagine, acronyme pour « Intuitive Modeling and Animation for interactive Graphics and Narrative Environments ». Vous avez été membre junior de l’Institut universitaire de France et vous avez reçu le prix Irène Joliot Curie du mentorat en 2007 pour votre action en faveur des femmes scientifiques. Votre ambition professionnelle est double. En tant que chercheur en informatique, vous rêvez de perfectionner un nouveau média numérique appelé à devenir un outil aussi facile à utiliser qu’un crayon pour créer et raffiner progressivement, à partir de l’imagination de l’utilisateur, des objets en 3D statiques ou animés, et pour reconstruire ainsi des contenus virtuels à usage ludique, scientifique ou de simulation industrielle.
10Enseignante passionnée par votre domaine d’étude, vous souhaitez attirer plus de jeunes filles vers votre discipline, dont vous soulignez que c’est un domaine scientifique créateur d’emplois, qui a un grand besoin de diversité ! Je suis sûr que votre enseignement au Collège de France contribuera à atteindre ce but. Je vous donne maintenant la parole pour votre leçon inaugurale, intitulée Façonner l’imaginaire : de la création numérique 3D aux mondes virtuels animés.
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